JP5676255B2 - Thin film detector for presence detection - Google Patents

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Description

本システムは、対象物の速度、位置及び/又は数のようなさまざまなパラメータの決定、並びに無生物及び生きた対象物を含む、対象物の存在及び/又は及びリアルタイム・イメージング、動き検出のため、薄膜超音波トランスデューサ及びアレイを含む超音波トランスデューサを使用して、存在検出、動き検出及びリアルタイム・イメージングなどのためのトランスデューサに関する。   The system can be used for the determination of various parameters such as the velocity, position and / or number of objects and the presence and / or real-time imaging, motion detection of objects, including inanimate and living objects. It relates to transducers for presence detection, motion detection, real-time imaging, etc. using ultrasonic transducers, including thin film ultrasonic transducers and arrays.

トランスデューサは、動き及び存在検出のためのセンサのような広いアプリケーションを見出している。主な推進因子は、ランプ寿命を増大するだけでなく、必要に応じてライトをオン/オフしてオフィスビル及び家のエネルギを節約することである。動き/存在検出センサ市場は、急速に成長すると推定される。この成長領域で、誤った検出又はトリガーが最小限のコンパクト、低コスト及び薄型(ほとんど見えない)センサが所望される。斯様なセンサは、例えば部屋の中の人々の動きの検出及び動きの方向だけでなく、部屋の中の人々の数及び位置の検出を可能にするために、より知的であることが更に望ましい。さらにまた、無線動作を可能にするため低電力で動作するトランスデューサも妥当である。   Transducers have found wide application such as sensors for motion and presence detection. The main driver is not only to increase lamp life, but also to turn on / off lights as needed to save energy in office buildings and homes. The motion / presence sensor market is estimated to grow rapidly. In this growing area, a compact, low cost and thin (almost invisible) sensor with minimal false detection or triggering is desired. Such sensors are more intelligent, for example to allow detection of the number and position of people in a room as well as detection of the movement and direction of people in the room. desirable. Furthermore, transducers that operate at low power to enable wireless operation are also reasonable.

超音波トランスデューサは、例えば都市、ビルディング、通りなどで、例えば局地的に調光し、又はライトをオンオフするため、屋外制御のような他のアプリケーションのためのセンサとしても魅力的である。これらは、自動的に監視デバイスのスイッチを入れる、侵入者検出のためにも適用できる。   Ultrasonic transducers are also attractive as sensors for other applications, such as outdoor control, for example locally dimming or turning lights on and off in cities, buildings, streets and the like. They can also be applied for intruder detection, which automatically switches on the monitoring device.

電流動きセンサは、焦電セラミック・デバイスに基づく、セラミック超音波動き検出器及び受動的な赤外線(IR)検出器を含む。斯様な従来の赤外線デバイスは、非常に大きくて、部屋の天井に典型的に取り付けられる。クレーらによる特許文献独国DE4218789は、マイクロ機械加工された焦電検出器を開示していて、参照により完全にここに組み込まれる。IRセンサは、受け取った赤外線エネルギの変化から、移動する人又は人間の動きを検出する。これらの焦電IR検出器の不利な点は、明確で妨害されるべきでない適当な検出のための視線のニーズを含む。更に、IR検出器は、直射的な日光及び環境照明の変化により容易に妨げられ、煙及び熱に敏感であり、よって誤警報を提供してしまう。   Current motion sensors include ceramic ultrasonic motion detectors and passive infrared (IR) detectors based on pyroelectric ceramic devices. Such conventional infrared devices are very large and are typically mounted on the ceiling of a room. The patent document DE 4218789 by Klee et al. Discloses a micromachined pyroelectric detector and is hereby fully incorporated by reference. The IR sensor detects the movement of a moving person or a person from the change in the received infrared energy. The disadvantages of these pyroelectric IR detectors include the need for a line of sight for proper detection that is clear and should not be disturbed. Furthermore, IR detectors are easily disturbed by direct sunlight and changes in ambient lighting and are sensitive to smoke and heat, thus providing false alarms.

誤警報又はトリガーを最小化するために、超音波トランスデューサが受動的な赤外線検出器の隣に取り付けられて、焦電受動的な検出器と超音波検出器との組合せが使われる。斯様な複合デバイスは、典型的IR検出器よりさらに大きくなり、直径11cm及び高さ3.5cmの典型的サイズを持つ。図1は、典型的トランスデューサの放射パターン100を示す。図1に示されるように、概して、トランスデューサは、かなり狭いビーム110を伝送し、よって、大きな見えない領域120、130を持つ。   To minimize false alarms or triggers, an ultrasonic transducer is mounted next to the passive infrared detector and a combination of pyroelectric passive detector and ultrasonic detector is used. Such composite devices are even larger than typical IR detectors and have a typical size of 11 cm in diameter and 3.5 cm in height. FIG. 1 shows a typical transducer radiation pattern 100. As shown in FIG. 1, in general, the transducer transmits a fairly narrow beam 110 and thus has large invisible regions 120, 130.

見えない領域を低減するか又は除去するために、トランスデューサアレイが供給され、ここで当該アレイのトランスデューサ又は各素子からの信号が、当該アレイから伝送される超音波ビームを成形しステアリングするために個別に制御される。これは、例えば、部屋又は領域を通じてスキャンすることで人々の位置を検出することを可能にする。トランスデューサアレイを使用して、ビームをフォーカスさせることも可能であり、これは解像度及びSN比を改善する。超音波アレイは、付随する電子回路を用いて、超音波画像を検出して形成することも可能にする。   To reduce or eliminate invisible areas, a transducer array is provided, where the signals from the transducers or elements of the array are individually used to shape and steer the ultrasonic beam transmitted from the array. Controlled. This makes it possible, for example, to detect the position of people by scanning through a room or area. It is also possible to focus the beam using a transducer array, which improves resolution and signal-to-noise ratio. Ultrasound arrays can also detect and form ultrasound images using accompanying electronic circuitry.

斯様な超音波センサは、乗客の有無の検出に依存して乗客エアバッグのオン/オフ動作をするための車両のエアバッグ制御も想定されている。トランスデューサの他のアプリケーションは、距離を測定することを含む。加えて、斯様なトランスデューサは、エアバッグのオン/オフ動作のため、乗客占有センサのような自動車目的のためにも興味がありえる。更に、超音波トランスデューサは、電子的にステアリングされた超音波ビームが対象物の範囲、角度範囲及び角度方向を測定するために使われる、グアルティエーリによる米国特許第6,549,487号に説明されているように、衝突防止又は保護システムでも用いられ、この特許は参照により完全にここに組み込まれる。超音波受信器は、斯様な対象物の範囲、広さ、サイズ及び方向のような情報を決定する処理のため対象物から反射される音響波を受信する。これらのシステムは、別々の単一のトランスデューサから典型的に作られる。   Such an ultrasonic sensor is also assumed to be a vehicle airbag control for turning on / off a passenger airbag depending on the detection of the presence or absence of a passenger. Other applications of the transducer include measuring distance. In addition, such transducers may also be of interest for automotive purposes, such as passenger occupancy sensors, due to airbag on / off operation. Further, an ultrasonic transducer is described in US Pat. No. 6,549,487 by Guartieri, where an electronically steered ultrasonic beam is used to measure the range, angular range and angular direction of an object. As is used in collision prevention or protection systems, this patent is hereby fully incorporated by reference. The ultrasonic receiver receives acoustic waves reflected from the object for processing to determine information such as the range, width, size and direction of the object. These systems are typically made from separate single transducers.

シリコン・ダイアフラム上の圧電超音波センサは、「相補的ピエゾ電気分極による絞りタイプの超音波センサの感度改善」(ヤマシタ)と名付けられたヤマシタカオルによる論文に記載されているように、知られていて、この論文は参照により完全にここに組み込まれる。更に、参照によりここに完全に組み込まれる「空気内の超音波センサ」という題名のバレンティンマゴリによる論文は、対象物から反射されるエコーに基づく距離の検出及び対象物認識のために、放射されるビームの電子的ステアリングを備えたフェーズアレイとして動作される圧電超音波トランスデューサを含む知的な超音波センサを説明する。   Piezoelectric ultrasonic sensors on silicon diaphragms are known, as described in a paper by Kaoru Yamashita named “Improvement of sensitivity of diaphragm type ultrasonic sensors by complementary piezoelectric polarization” (Yamashita). This paper is fully incorporated herein by reference. In addition, a paper by Valentin Magoli entitled “Ultrasonic Sensors in Air”, which is fully incorporated herein by reference, is emitted for distance detection and object recognition based on echoes reflected from the object. An intelligent ultrasonic sensor is described which includes a piezoelectric ultrasonic transducer operated as a phased array with electronic steering of the beam.

ヤマシタの論文に注記されているように、空気伝播超音波を使用する3次元画像装置は、車両制御、自主的なロボットのための対象物検出、並びに視力障害者及び点検ロボットの活動サポート用に使用される。注記されているように、空気の超音波測定値は、超音波の適切な低伝播速度のため2、3メートル未満の範囲では、正確な距離測定のミリ波及び光を含む電磁波に対抗する効果を持つ。   As noted in Yamashita's paper, 3D imaging devices using air-borne ultrasound are used for vehicle control, object detection for autonomous robots, and activity support for visually impaired and inspection robots. used. As noted, the ultrasonic measurement of air is effective against electromagnetic waves including millimeter waves and light of accurate distance measurement in the range of less than a few meters due to the appropriate low propagation speed of ultrasonic waves. have.

両方とも譲受人に譲渡されたクレーらによる米国特許第6,515,402号及び第6,548,937号は、各内容が参照により完全にここにて組み込まれ、ヤマシタにも記載されているように電極が圧電層の両側、又は一方の側にある超音波トランスデューサのアレイを記載する。斯様なトランスデューサは、開口部を形成するためにマイクロ機械加工される基板を持つ。   US Pat. Nos. 6,515,402 and 6,548,937, both assigned to the assignee by Clay et al., Are hereby fully incorporated by reference and are also described in Yamashita. Thus, an array of ultrasonic transducers with electrodes on either or one side of the piezoelectric layer is described. Such a transducer has a substrate that is micromachined to form an opening.

図2Aは、米国特許第6,548,937号にて説明されているようなシリコン基板210上に膜220が形成される当該シリコン基板210を持つ超音波トランスデューサ200を示す。TiO層のようなバリア構造体230が、膜220の上に形成される。圧電層240が、障壁層230の上に形成される。第1及び第2の電極250、255は、圧電層240の横方向に分極された動作のため圧電層240の横方向の両端に配される。更に、基板210の一部は、圧電層240及び電極250、255に関して適当な位置で、膜220を露出させるための開口部260をつくるために除去される。斯様な超音波トランスデューサのアレイを製造するために、いくつかの開口部が、1枚のシリコン基板上にいくつかの膜の作成のため生成される。開口部260により露出される膜220は、この開口部260のため(例えば、AC電圧の印加の際)振動できる。 FIG. 2A shows an ultrasonic transducer 200 having a silicon substrate 210 on which a film 220 is formed as described in US Pat. No. 6,548,937. A barrier structure 230, such as a TiO 2 layer, is formed on the film 220. A piezoelectric layer 240 is formed on the barrier layer 230. The first and second electrodes 250 and 255 are disposed at both lateral ends of the piezoelectric layer 240 for the laterally polarized operation of the piezoelectric layer 240. In addition, a portion of the substrate 210 is removed to create an opening 260 for exposing the membrane 220 at an appropriate location with respect to the piezoelectric layer 240 and the electrodes 250, 255. In order to manufacture such an array of ultrasonic transducers, several openings are created for the creation of several films on a single silicon substrate. The film 220 exposed by the opening 260 can vibrate due to the opening 260 (eg, upon application of an AC voltage).

特に、第1及び第2の電流供給コンタクト270、275を通って電極250、255へのAC電圧の印加は、圧電層240を当該圧電層240の面の縦方向の振動へと励起させる。圧電素子の長さの変化は、膜220を振動へと励振させる。電極250、255は、図2Bで示されるインターデジタル型電極250、255でもよい。   In particular, application of an AC voltage to the electrodes 250, 255 through the first and second current supply contacts 270, 275 excites the piezoelectric layer 240 into longitudinal vibration of the surface of the piezoelectric layer 240. Changes in the length of the piezoelectric element cause the membrane 220 to excite vibration. The electrodes 250 and 255 may be the interdigital electrodes 250 and 255 shown in FIG. 2B.

図2Cは、米国特許第6,515,402号及びヤマシタの論文にて説明されているような、電極250'、255'が圧電層240の両面上に形成される超音波トランスデューサ200'を示す。図2A、2Cに示されるトランスデューサ200、200'両方は、バルクマイクロマシニング技術、又はパターンリソグラフなどによって基板210の一部を除去することにより、適当な位置で開口部260を作ることを必要とし、このことは、時間がかかり、斯様なトランスデューサアレイを製造するコストを増大させる。更に、基板は適当な位置で開口部をつくるために位置合わせさせなければならず、このことが更にエラーを導くだけでなく、製造時間及びコストを増大させ、よって歩留まりを低下させる。加えて、ヤマシタの論文に説明されるように、SOI(絶縁物上のシリコン)ウェーハが典型的に使われ、これは比較的高価であり、ここで、膜はシリコン(2μm)及びシリコン酸化物(0.4μm)から形成される。   FIG. 2C shows an ultrasonic transducer 200 ′ in which electrodes 250 ′, 255 ′ are formed on both sides of the piezoelectric layer 240, as described in US Pat. No. 6,515,402 and Yamashita paper. . Both transducers 200, 200 ′ shown in FIGS. 2A, 2C require the opening 260 to be made in place by removing a portion of the substrate 210, such as by bulk micromachining techniques or pattern lithography. This is time consuming and increases the cost of manufacturing such a transducer array. In addition, the substrate must be aligned to create the opening at the proper location, which not only introduces additional errors, but also increases manufacturing time and cost, and thus reduces yield. In addition, as explained in the Yamashita article, SOI (silicon on insulator) wafers are typically used, which are relatively expensive, where the films are silicon (2 μm) and silicon oxide. (0.4 μm).

電界が、図2Cの2つの対向する電極250'、255'の間にあることに留意されたい。この電界は、圧電層に対して垂直である。対照的に、図2Aの2本の隣接する電極250、575間の電界は、圧電層240の面内にあるか、又は、当該面に平行である。図2Bに示されるように典型的にインターデジタルである、密接に間隔を置いた電極を供給することにより、各膜のためちょうど2つの電極でより少なめの電圧が、所望の電界を生じるために必要とされる。   Note that the electric field is between the two opposing electrodes 250 ′, 255 ′ of FIG. 2C. This electric field is perpendicular to the piezoelectric layer. In contrast, the electric field between two adjacent electrodes 250, 575 of FIG. 2A is in the plane of the piezoelectric layer 240 or parallel to that plane. By providing closely spaced electrodes, typically interdigital, as shown in FIG. 2B, less voltage at just two electrodes for each membrane will produce the desired electric field. Needed.

もちろん、イメージングのための空中超音波を使用することに加えて、超音波は、流体及び固体においても適用され、医学音波ホログラフィ及び潜水イメージングのようなイメージングのためにも使われ、ここで、参照により完全にここに組み込まれるバーンスタインによる米国特許第6、323、580号に記載されている(以下バーンスタインと呼ぶ)ように、薄いフェロフィルムが用いられる。バーンスタインにおいては、インターデジタル電極は、シリコン膜の構造体層にのるAlの絶縁体層の上に形成されるフェロダイアフラムの一方の上にだけ形成される。前記シリコン膜は、シリコン基板の上に形成されるSiO又はSiのエッチストップ層にのる。前記シリコン基板は、シリコン膜の下に開口部を形成するように選択的にエッチングされる(SiO又はSiエッチストップ層まで)。付加的なAl層が適用されるだけでなく、高価なSOIウェーハ技術が用いられ、更に処理時間及びコストが増大することに留意されたい。図2A、2Bに関連して説明される開口部260と同様に、バーンスタインの開口部も、例えば2サイドリソグラフィ及び位置合わせが、例えば、電極の下の所望の位置で開口部を適切に供給する必要があるエッチング及びマイクロ機械加工によるような、選択的な基板除去から形成されるので、コストは更に増大される。 Of course, in addition to using aerial ultrasound for imaging, ultrasound is also applied in fluids and solids and used for imaging such as medical acoustic holography and submersible imaging, see here A thin ferrofilm is used as described in US Pat. No. 6,323,580 by Bernstein (hereinafter referred to as Bernstein), which is more fully incorporated herein by reference. In Bernstein, the interdigital electrode is formed only on one of the ferrodiaphragms formed on the Al 2 O 3 insulator layer on the silicon film structure layer. The silicon film is on an SiO 2 or Si 3 N 4 etch stop layer formed on a silicon substrate. The silicon substrate is selectively etched (up to a SiO 2 or Si 3 N 4 etch stop layer) to form an opening under the silicon film. It should be noted that not only an additional Al 2 O 3 layer is applied, but expensive SOI wafer technology is used, further increasing processing time and cost. Similar to the opening 260 described in connection with FIGS. 2A and 2B, the Bernstein opening also provides an appropriate opening, for example two-side lithography and alignment, for example at a desired position under the electrode. The cost is further increased because it is formed from selective substrate removal, such as by etching and micromachining that needs to be done.

他のマイクロ機械加工されたトランスデューサはジーホンワンらによるタイトル「圧電マイクロ機械加工された超音波発信器の超音波放射パフォーマンス」(ワンと呼ぶ)という論文に記載されていて、参照により完全にここに組み込まれる。このトランスデューサも、基板内に位置合わせされた開口部を形成するため、基板位置合わせ及びマイクロ機械加工を必要とする。ワンの論文において、膜は、Si膜とSi基板との間に形成されたSiOエッチングストップ層で、Siで形成される。 Other micromachined transducers are described in the paper entitled “Ultrasonic Radiation Performance of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transmitter” (referred to as one) by Jehong Wang et al., Which is hereby fully incorporated by reference. It is. This transducer also requires substrate alignment and micromachining to form aligned openings in the substrate. In one paper, the film is a SiO 2 etch stop layer formed between the Si 3 N 4 film and the Si substrate, and is formed of Si 3 N 4 .

従って、より薄くて、大きくなく、可撓性であって、減少したステップ及び/又は減少した位置合わせ要件によってより高価でなく、製造がより容易であるがなお高い電気音響パフォーマンスを持つ改良型ミニチュア・センサのためのニーズがある。赤外線の検出のような他の機能も統合することが、更なる小型化さえ可能にするだろう。   Thus, an improved miniature that is thinner, less large, flexible, less expensive due to reduced steps and / or reduced alignment requirements, easier to manufacture but still has high electroacoustic performance・ There is a need for sensors. Integrating other functions such as infrared detection would allow even further miniaturization.

ここに提示されるシステム及び方法の一つの目的は、超音波及び/又は赤外線信号を検出するための複合超音波及び焦電検出器を持つセンサを供給することを含んで、従来のセンサの不利な点を克服することである。   One object of the system and method presented herein includes the disadvantages of conventional sensors, including providing a sensor with a combined ultrasound and pyroelectric detector for detecting ultrasound and / or infrared signals. It is to overcome this point.

例示的実施例によると、ドップラー効果を用いて、例えば無生物の及び生きた対象物を含む対象物の存在又は動き検出、並びに対象物の速度、動きの方向、位置及び/又は数のようなさまざまなパラメータの決定のために、例えば、流体及び固体だけでなく空中のリアルタイム・イメージングのために用いられる、トランスデューサ及びトランスデューサのアレイが供給される。一つの実施例において、トランスデューサは、前部基板の上に形成される膜を有し、圧電層が、能動的な部分及び当該能動的な部分に隣接する周辺部分で前記膜の上に形成される。必要に応じて、前記圧電層はパターニングされる。第1及び第2の電極を含むパターニングされた導電層は、圧電層の上に形成される。更に、能動的な部分に隣接する周辺部分に位置される支持体を持つ後部基板構造が供給される。前記支持体の高さは、パターニングされた圧電層及びパターニングされた導電層を合わせた高さより大きい。多くのトランスデューサは、アレイを形成するために接続され、ここで例えば、コントローラが、存在検出若しくは動き検出及び/又はイメージングのため、アレイのビームをステアリングするなどのようなアレイを制御し、アレイにより受信された信号を処理するために供給される。   According to exemplary embodiments, the Doppler effect can be used to detect the presence or movement of objects including, for example, inanimate and living objects, as well as various such as object speed, direction of movement, position and / or number For the determination of various parameters, for example, transducers and arrays of transducers are provided that are used for real-time imaging in air as well as fluids and solids. In one embodiment, the transducer has a film formed on the front substrate, and a piezoelectric layer is formed on the film in an active portion and a peripheral portion adjacent to the active portion. The If necessary, the piezoelectric layer is patterned. A patterned conductive layer including first and second electrodes is formed on the piezoelectric layer. In addition, a rear substrate structure is provided having a support located in a peripheral portion adjacent to the active portion. The height of the support is greater than the combined height of the patterned piezoelectric layer and the patterned conductive layer. Many transducers are connected to form an array, where, for example, a controller controls the array, such as steering the beam of the array for presence detection or motion detection and / or imaging, and so on. Supplied to process the received signal.

各種センサは、何れかの所望の形状に形成される可撓性センサを形成するために、可撓性フォイル上に供給される。更に、異なるタイプのセンサ又は検出器は、組み合わされ又は一体化されて、超音波及び/又は赤外線信号を検出するための複合超音波及び焦電検出器を含む複数センサのような単一のマルチセンサでもよい。センサは、動き検出又は存在検出だけでなくイメージング(超音波及び/又はIRイメージング)のようなさまざまなアプリケーションで用いられ、ここで超音波センサは、超音波及び/若しくはIR信号の伝送並びに/又は受信を含む、動作のための視線を必要とするIRセンサとは対照的に、動作のための視線を必要としない。   Various sensors are provided on the flexible foil to form a flexible sensor that is formed into any desired shape. In addition, different types of sensors or detectors can be combined or integrated into a single multi-sensor such as multiple sensors including combined ultrasonic and pyroelectric detectors for detecting ultrasonic and / or infrared signals. It may be a sensor. Sensors are used in a variety of applications such as imaging (ultrasonic and / or IR imaging) as well as motion detection or presence detection, where ultrasonic sensors are used to transmit ultrasonic and / or IR signals and / or In contrast to IR sensors that require a line of sight for operation, including reception, they do not require a line of sight for operation.

本システム及び方法の適用性の更なる領域は、以下に供給される詳細な説明から明らかになるだろう。詳細な説明及び具体例は、システム及び方法の例示的実施形態を示すが、説明の目的のみに意図されて、本発明の範囲を制限することを意図しないことは理解されるべきである。   Further areas of applicability of the present system and method will become apparent from the detailed description provided below. It should be understood that the detailed description and specific examples, while indicating exemplary embodiments of the system and method, are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention.

本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び効果は、以下の説明、請求項及び図面からよく理解されるだろう。   These and other features, aspects and advantages of the apparatus, system and method of the present invention will be better understood from the following description, claims and drawings.

図1は、典型的トランスデューサの放射パターンの測定値を示す。FIG. 1 shows a measurement of the radiation pattern of a typical transducer. 図2A〜2Cは、バルクのマイクロ機械加工で実現される従来のセンサを示す。2A-2C show a conventional sensor implemented in bulk micromachining. 図3は、本システムの一つの実施例によるトランスデューサのアレイを示す。FIG. 3 shows an array of transducers according to one embodiment of the system. 図4A、4Bは、本システムの一つの実施例による一方の側上に電極を持つトランスデューサを示す。4A and 4B show a transducer with electrodes on one side according to one embodiment of the system. 図5は、本システムの一つの実施例による他方の側上に電極を持つトランスデューサを示す。FIG. 5 shows a transducer with electrodes on the other side according to one embodiment of the system. 図6は、本システムの一つの実施例による後部基板を持つトランスデューサのアレイを示す。FIG. 6 shows an array of transducers with a back substrate according to one embodiment of the system. 図7は、本システムの一つの実施例によるインターデジタル電極を持つトランスデューサのアレイを示す。FIG. 7 shows an array of transducers with interdigital electrodes according to one embodiment of the system. 図8A〜8Cは、本システムの一つの実施例によるマウントで支えられた後部基板を持つトランスデューサを示す。図8Dは、本システムの一つの実施例による抵抗付勢ネットワークを示す。8A-8C show a transducer with a back substrate supported by a mount according to one embodiment of the system. FIG. 8D shows a resistance biasing network according to one embodiment of the system. 図9は、本システムの一つの実施例によるトランスデューサの電気的インピーダンス対周波数のプロット線を示す。FIG. 9 shows a plot of electrical impedance versus frequency for a transducer according to one embodiment of the system. 図10は、本システムの一つの実施例による相互接続で可撓性フォイルの上にトランスデューサの可撓性アレイを形成する2つの超音波トランスデューサを示す。FIG. 10 illustrates two ultrasonic transducers that form a flexible array of transducers on a flexible foil in an interconnect according to one embodiment of the system. 図11は、本システムの一つの実施例による電子部品を持った又は持たないシリコンパーツ上にマウントされる、上側に薄膜圧電素子を具備してトランスデューサの可撓性のアレイを形成する可撓性層相互接続で両側がカバーされる2つの超音波トランスデューサデバイスを示す。FIG. 11 shows the flexibility of forming a flexible array of transducers with thin film piezoelectric elements on top mounted on silicon parts with or without electronic components according to one embodiment of the system. Figure 2 shows two ultrasonic transducer devices covered on both sides with a layer interconnect. 図12は、本システムの一つの実施例による2つ以上の超音波トランスデューサの可撓性アレイを示す。FIG. 12 illustrates a flexible array of two or more ultrasonic transducers according to one embodiment of the system. 図13A〜13Cは、本システムの一つの実施例による基板上の別個にマウントされた回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。13A-13C show an array that includes a combination of ultrasonic and pyroelectric transducers with separately mounted circuits on a substrate according to one embodiment of the system. 図14A〜14Cは、本システムの一つの実施例によるフリップチップマウント又はワイヤボンディングによりマウントされる回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。14A-14C illustrate an array that includes a combination of ultrasonic and pyroelectric transducers with circuitry mounted by flip chip mounting or wire bonding according to one embodiment of the system. 図15A〜15Cは、本システムの一つの実施例による一体化された回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。15A-15C show an array that includes a combination of ultrasonic and pyroelectric transducers with integrated circuitry according to one embodiment of the system. 図16A〜16Cは、本システムの一つの実施例による圧電領域の両側上に電極を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。16A-16C illustrate an array that includes a combination of ultrasonic and pyroelectric transducers with electrodes on both sides of a piezoelectric region according to one embodiment of the system. 図17A〜17Cは、本システムの一つの実施例による種々異なってドーピングされた圧電領域を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。17A-17C illustrate an array that includes a combination of ultrasonic and pyroelectric transducers with differently doped piezoelectric regions according to one embodiment of the system.

以下は、図面を参照しながら、上記の特徴及び効果などを示す実施例の説明である。以下の説明では、限定的というよりもむしろ説明のために、アーキテクチャ、インタフェース、技術、要素の属性等の例示的な詳細が記載される。しかしながら、これらの詳細から離れる他の実施例が添付の請求項の範囲内であると依然理解されることは、当業者にとって明らかである。   The following is a description of embodiments showing the above features and effects, etc., with reference to the drawings. In the following description, exemplary details such as architecture, interface, technology, element attributes, etc. are set forth for purposes of explanation rather than limitation. However, it will be apparent to one skilled in the art that other embodiments that depart from these details are still within the scope of the appended claims.

したがって、特定の例示的実施形態の以下の説明は、単に現実には例示的であって、決して本発明、そのアプリケーション又は使用を制限することを意図するわけではない。本システム及び方法の実施例の以下の詳細な説明において、説明の一部を形成する図面が参照され、これらの図面は説明されるシステム及び方法が実践される例示的な特定の実施例を介して示される。これらの実施例は、本開示のシステム及び方法を当業者が実施できるために充分詳細に説明されていて、他の実施例が利用されたり、構造的及び論理的変更が本システムの精神及び範囲から逸脱することなくなされることは理解されるべきである。   Accordingly, the following description of particular exemplary embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or use. In the following detailed description of embodiments of the present system and method, reference is made to the drawings that form a part of the description and these drawings are through exemplary specific embodiments in which the described systems and methods may be practiced. Shown. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the system and method of the present disclosure, other embodiments being utilized, and structural and logical changes being within the spirit and scope of the systems. It should be understood that this can be done without departing from.

従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味にとられるべきでなく、本システムの範囲は添付の請求項によってのみ定められる。複数の図に現れる同一の部品が同じ参照符号により識別されるという例外を持って、本願明細書の図の参照符号の先頭の桁は、概して図の番号に対応する。さらに、明快さのために、良く知られたデバイス、回路及び方法の詳細な説明は、本システムの説明を明確にするために省略されている。   The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present system is defined only by the appended claims. With the exception that identical parts appearing in more than one figure are identified by the same reference number, the leading digit of the reference number in the figures herein generally corresponds to the figure number. Further, for clarity, detailed descriptions of well-known devices, circuits, and methods are omitted for clarity of description of the system.

圧電薄膜トランスデューサ及びトランスデューサアレイを含む本センサの各種実施形態は、費用効果的であって、効率的及びミニチュア超音波トランスデューサ/アレイを可能にする。各種実施形態による超音波トランスデューサは、平坦な、薄型超音波トランスデューサであって、これは、例えば、占有検出及び/又は動き検出のために用いられる従来のセラミック超音波トランスデューサより大きくはない。他の実施例は、人間、動物、車両等のような生物及び無生物の対象物の存在、速度、動きの方向、位置、動き及び/又は数のようなさまざまなパラメータを検出するために超音波ビームのスキャン及び電気的ステアリングを可能にする、平坦な薄型薄膜トランスデューサアレイを含む。斯様なコンパクト及び薄型超音波トランスデューサ/アレイは、特にこれらが視線を必要とせず、赤外線センサとは対照的に煙及び熱に反応しないので、さまざまなアプリケーションを見出す。   Various embodiments of the present sensor, including piezoelectric thin film transducers and transducer arrays, are cost effective and enable efficient and miniature ultrasonic transducers / arrays. The ultrasonic transducers according to various embodiments are flat, thin ultrasonic transducers that are not larger than conventional ceramic ultrasonic transducers used, for example, for occupancy detection and / or motion detection. Other examples include ultrasound to detect various parameters such as the presence, speed, direction of movement, position, movement and / or number of living and inanimate objects such as humans, animals, vehicles, etc. It includes a flat thin film transducer array that allows beam scanning and electrical steering. Such compact and thin ultrasonic transducers / arrays find a variety of applications because they do not require line of sight and do not respond to smoke and heat as opposed to infrared sensors.

例示的実施例では、薄膜圧電トランスデューサアレイが存在検出及び/又は動き検出等のために使用され、ここで、図3は薄膜圧電トランスデューサ素子310のアレイ300を示す。アレイ300及び/又は各素子310は、何れかのサイズ及び形状を持ってもよい。素子310のピッチ320は、アプリケーションに基づいて選択される。動き検出器のため空気中の低い減衰を達成するために、前記アレイは、50―450のKHzの周波数で動作するように設計されている。これらの低周波で動作するために、素子ピッチ320は、ほぼ数百マイクロメートルから数千マイクロメートルである。ピッチ320は、1つの素子を隣接する素子から離隔するギャップ340と素子の幅330とを加えたものである。   In the exemplary embodiment, a thin film piezoelectric transducer array is used for presence detection and / or motion detection, etc., where FIG. 3 shows an array 300 of thin film piezoelectric transducer elements 310. Array 300 and / or each element 310 may have any size and shape. The pitch 320 of the element 310 is selected based on the application. In order to achieve low attenuation in the air for motion detectors, the array is designed to operate at a frequency of 50-450 KHz. In order to operate at these low frequencies, the element pitch 320 is on the order of hundreds to thousands of micrometers. The pitch 320 is obtained by adding a gap 340 that separates one element from an adjacent element and a width 330 of the element.

図3に示されるように、アレイは、図1に関連して説明されている広めの適用範囲及びブラインドスポット120、130の低減又は排除のため超音波ビームの電気的ステアリングを可能にするためのような、アレイの制御及びアレイ300から受信される情報処理のために、グアルティエーリによる米国特許第6,549,487号にて説明されているように、フェーズ・シフター、遅延タップ、コンバータなどの付随する電子部品を持つコントローラ又はプロセッサ350に接続されている。メモリ360もまた、プロセッサ350により実行されるときアレイ・システムの制御及び動作のためのソフトウェア命令又はコード、さまざまなデータ及びアプリケーション・プログラムを格納するため、プロセッサ350と動作的に結合される。   As shown in FIG. 3, the array is used to allow electrical steering of the ultrasonic beam for the wide coverage and reduction or elimination of blind spots 120, 130 described in connection with FIG. Such as phase shifters, delay taps, converters, etc. as described in US Pat. No. 6,549,487 to Guartieri for controlling the array and processing information received from the array 300 Are connected to a controller or processor 350 having associated electronic components. Memory 360 is also operatively coupled to processor 350 for storing software instructions or code, various data and application programs for control and operation of the array system when executed by processor 350.

機械的エネルギに変換される電気エネルギ源の量(すなわち、電気機械変換の効率)であるデバイスの高い結合係数を達成するために、ピエゾ電気材料の両側にある電極の代わりに、電極が圧電薄膜の同じ側に処理される図4Aに示されるようなセンサ400が供給され、素子はトランスデューサの面に平行な分極方向において動作する。特に、図2Bに示されるように互いに嵌合される一対の電極430、440と430'、440'との間のインプレイン電界は、圧電薄膜の面の長手方向に応力振動を引き起こし、よって膜の曲げ振動に至る。電極430、440間の低減された間隔は、低い電圧での動作を可能にする。以下の説明では、「正」及び「負」の電圧は、それぞれ、ピエゾ電気材料の電界が分極方向に平行であるか逆平行であることを示すために用いられる。   In order to achieve a high coupling coefficient of the device, which is the amount of electrical energy source converted to mechanical energy (ie, the efficiency of electromechanical conversion), instead of the electrodes on both sides of the piezoelectric material, the electrodes are piezoelectric thin films A sensor 400 as shown in FIG. 4A is provided which is processed on the same side of the element, and the element operates in a polarization direction parallel to the face of the transducer. In particular, the in-plane electric field between a pair of electrodes 430, 440 and 430 ′, 440 ′ fitted together as shown in FIG. 2B causes stress oscillation in the longitudinal direction of the surface of the piezoelectric thin film, and thus the film Lead to bending vibration. The reduced spacing between the electrodes 430, 440 allows operation at a lower voltage. In the following description, “positive” and “negative” voltages are used to indicate that the electric field of the piezoelectric material is parallel or anti-parallel to the polarization direction, respectively.

高めの結合係数を持つ他にセンサ400は、また、圧電薄膜の一方の側に電極層がないため1つ層が少ないので、少なめの処理ステップを必要とするだけであり、これは斯様なデバイス400の費用効果的な製造を可能にする。センサ400は、膜410の動きを可能にするため、センサ400の形成の後取り除かれる基板の上に形成される膜410を含む。ピエゾ電気材料420、420'は、所望ならば例えばパフォーマンスを増大するためにパターニングされる膜410上に形成される。更に、一対の電極430、440及び430'、440'は、パターニングされたピエゾ電気材料のそれぞれの圧電性領域420、420'の上に形成される。   Besides having a higher coupling coefficient, the sensor 400 also requires fewer processing steps since there is less one layer because there is no electrode layer on one side of the piezoelectric film, Allows cost-effective manufacturing of the device 400. Sensor 400 includes a film 410 formed on a substrate that is removed after formation of sensor 400 to allow movement of film 410. Piezoelectric material 420, 420 'is formed on a film 410 that is patterned if desired, for example to increase performance. In addition, a pair of electrodes 430, 440 and 430 ', 440' are formed on respective piezoelectric regions 420, 420 'of the patterned piezoelectric material.

図4Aに示されるように、正の電圧が内側エッジ電極440、440'に印加され、負の電圧が外側のエッジ電極430、430'に印加され、交互に接地され、圧電層の伸長450は、図4Bに示されるように、膜スタックの下方への曲り460に結果としてなる。電極対430、440及び430'、440'に印加される電圧の極性を反転させることは、上方へ膜スタックを曲げることになる。前記圧電層に印加される電圧パルス又は何らかの交流電流(AC)信号は、対象物の検出のため対象物から反射される超音波を引き起こす。   As shown in FIG. 4A, a positive voltage is applied to the inner edge electrodes 440, 440 ′, a negative voltage is applied to the outer edge electrodes 430, 430 ′, alternately grounded, and the piezoelectric layer extension 450 is , Resulting in a downward turn 460 in the membrane stack, as shown in FIG. 4B. Reversing the polarity of the voltage applied to the electrode pairs 430, 440 and 430 ', 440' will bend the membrane stack upward. A voltage pulse or some alternating current (AC) signal applied to the piezoelectric layer causes ultrasonic waves reflected from the object for detection of the object.

膜トランスデューサの動作原理は、基本的な曲りモードが示されている図4Bで説明される。膜の変位404は、区域401、401'及び402の曲りに結果としてなる。区域403は、ほぼ曲げられていないままである。圧電動作が、1つ又は複数の湾曲区域401、401'又は402を曲げるために用いられる。層状の膜が、これらの歪み可能又は可動部分401、401'、402において少なくとも用いられ、以下の区域で例証されるだろう。所与の実施態様は、膜のどの区域が作動されるかを選択することの自由度に限定を課すべきではない。例えば、図4Aのスタック440、430、420、410は、図4Bに示される作動区域401を形成する。もちろん、歪み可能又は可動スタックは、区域402に配されてもよい。   The operating principle of the membrane transducer is illustrated in FIG. 4B where the basic bending mode is shown. Membrane displacement 404 results in bends in areas 401, 401 ′ and 402. Area 403 remains substantially unbent. Piezoelectric motion is used to bend one or more curved areas 401, 401 ′ or 402. Layered membranes will be used at least in these strainable or movable parts 401, 401 ′, 402 and will be illustrated in the following areas. A given embodiment should not impose a limit on the degree of freedom in selecting which area of the membrane is activated. For example, the stacks 440, 430, 420, 410 of FIG. 4A form the working area 401 shown in FIG. 4B. Of course, a strainable or movable stack may be placed in area 402.

もちろん所望ならば、一方の側、例えば、圧電材料の一番上の側の代わりに、電極の一対は、例えば、図5のセンサ500に示されるように、圧電材料520、525をはさむように、両側にあってもよい。この場合、電圧は、一番上及び底部の電極対530、540及び530'、540'間に供給される。一番上の電極530、530'と底部電極540、540'との電圧差が正のとき、膜に対して垂直な伸長及び面内の圧電層の収縮550、555が、矢印560により示されるように、膜スタックを引っ張ることになる。   Of course, if desired, instead of one side, eg, the top side of the piezoelectric material, a pair of electrodes may sandwich the piezoelectric material 520, 525, for example as shown in the sensor 500 of FIG. , May be on both sides. In this case, voltage is supplied between the top and bottom electrode pairs 530, 540 and 530 ', 540'. When the voltage difference between the top electrode 530, 530 ′ and the bottom electrode 540, 540 ′ is positive, the extension perpendicular to the membrane and the in-plane piezoelectric layer contraction 550, 555 are indicated by arrows 560. As such, it will pull the membrane stack.

センサ400、500は、効率的に形成され少なめの処理操作を必要とするだけなので、高価ではない。例えば、ウェーハ及び膜は、高価なSOI製造に沿って作られず、図8A〜8Cに関連してより詳細に説明されるように、シリコン窒化物、シリコン酸化物、又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物の組合せでよく、これらは標準半導体プロセスを使用して堆積され高価ではない。もちろん、これらの物質の他に、圧電薄膜処理と互換性を持つ他の有機又は無機の材料が使用されてもよい。更に、膜を露出させるため、図2A及び2Bに関連して説明されるように、基板の部分を除去し、開口部260を作るため、例えば、パターニングされたバルクマイクロ機械加工及び2サイドリソグラフィにより、図6の点線として示される下部の基板615をパターニングする必要はない。   Sensors 400, 500 are not expensive because they are efficiently formed and require less processing operations. For example, wafers and films are not made in accordance with expensive SOI manufacturing, and silicon nitride, silicon oxide, or silicon nitride and silicon oxide, as described in more detail in connection with FIGS. These are deposited using standard semiconductor processes and are not expensive. Of course, in addition to these materials, other organic or inorganic materials compatible with piezoelectric thin film processing may be used. In addition, to expose the film, as described in connection with FIGS. 2A and 2B, to remove portions of the substrate and create openings 260, for example, by patterned bulk micromachining and two-side lithography. There is no need to pattern the lower substrate 615, shown as the dotted line in FIG.

むしろ、センサはダイにマウントされ、十分なエッチングが、すべての下部の基板615を除去するために至る所で実行される。したがって、リソグラフィ又はパターニングは、例えば、所望ならば電極及び/又は圧電材料をパターニングするために一方の側にあるだけである。他方の側、例えば、図4A及び図5に示される底部側は、何らかのリソグラフィ又はパターニングを必要としてもよい。むしろ、十分なエッチングは、下部の又は前部エンドの基板615を除去し、図6に示されるようにダイ又は後部エンドの基板640上にセンサアレイ又は素子をマウントした後に、膜410、510、610を露出させるように実行される。   Rather, the sensor is mounted on a die and sufficient etching is performed everywhere to remove all the underlying substrate 615. Thus, lithography or patterning is only on one side, for example to pattern electrodes and / or piezoelectric material if desired. The other side, eg, the bottom side shown in FIGS. 4A and 5, may require some lithography or patterning. Rather, sufficient etching removes the bottom or front end substrate 615 and mounts the sensor array or element on the die or back end substrate 640 as shown in FIG. 610 is performed to expose.

基板のパターニングされたエッチングが必要でないだけでなく、適当な位置で開口部260(図2A、2C)を得るために基板の所望の部分を適切にエッチングするため前部サイド及び後部サイドのマスクを位置合わせする必要もないので、コスト及び製造時間が低減される。これは、処理時間及び経費を低減するだけでなく、位置合わせエラーを排除し、壊れやすい穿孔された基板の処理問題を排除することにより、収率も増大する。更に、例えば図4A、図6及び図8Aに示されるように、電極が圧電材料の一方の側にだけある場合、すなわち、圧電材料の他方の側の上に電極がないため、1つ少ない層が必要とされ、製造時間及びコストを低減する。   Not only is a patterned etch of the substrate required, but the front side and back side masks are used to properly etch the desired portion of the substrate to obtain openings 260 (FIGS. 2A, 2C) at the appropriate locations. Since there is no need for alignment, costs and manufacturing time are reduced. This not only reduces processing time and cost, but also increases yield by eliminating alignment errors and eliminating the processing problems of fragile perforated substrates. Furthermore, as shown for example in FIGS. 4A, 6 and 8A, if the electrode is only on one side of the piezoelectric material, ie there is no electrode on the other side of the piezoelectric material, one less layer Is needed to reduce manufacturing time and cost.

それぞれ図4A及び図5Aの410、510及び図6の610の参照符号で示されるように、圧電薄膜トランスデューサの基本的なモジュールは、薄膜の膜のスタックである。実例として、膜410、510、610は、シリコン窒化物、シリコン酸化物又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物の組合せから形成される。膜410、510、610は、例えば低圧化学蒸着(CVD)プロセスで、例えば、膜の一方の側を露出させるために後で完全にエッチングされる基板615上に堆積される。前記基板は、シリコン又は何らかの他の適切な物質である。膜410、510、610の上部に、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムの薄膜障壁層617が、図6に示されるように必要に応じて付与されてもよい。   The basic module of a piezoelectric thin film transducer is a stack of thin film films, as indicated by reference numerals 410 and 510 in FIGS. 4A and 5A and 610 in FIG. 6, respectively. Illustratively, the films 410, 510, 610 are formed from silicon nitride, silicon oxide or a combination of silicon nitride and silicon oxide. The films 410, 510, 610 are deposited, for example, in a low pressure chemical vapor deposition (CVD) process, eg, on a substrate 615 that is later fully etched to expose one side of the film. The substrate is silicon or some other suitable material. A thin film barrier layer 617 made of, for example, titanium oxide, zirconium oxide, or aluminum oxide may be provided on the top of the films 410, 510, and 610 as needed as shown in FIG.

(圧電層の一方の側の上にだけ電極を持つ図4Aに示される実施例に関係する)図6に示される実施例では、膜層610(図4Aの410)の上部に、又は存在するならば障壁層617の上部に圧電薄膜が形成され処理され、(所望ならば)圧電性の領域620、622、624を形成するためにパターニングされる。実例として、圧電薄膜は、例えば、Laでドープされるか又はドープされないチタン酸ジルコン酸鉛でよいが、何らかの他の圧電材料でもよい。圧電層620は、連続的であるか、又は作動区域(図4Bの402)の幅に合わせるためにパターニングされてもよい。複数のトランスデューサ素子600は、素子のピッチが素子(図3の参照符号330としても示される)の幅626と同程度小さい1次元又は2次元アレイへ配される。図6に示される左右の圧電性の領域622、624は、圧電性の機能を持たないが、後述するようにスペーサ又は支持マウントとして役立つ。高さ826を持つキャビティは、ガスで満たされるか、又はアプリケーションに依存して結合プロセスの間、排気される。例えば、ガス充填キャビティの効果は、苛酷な周囲のより良い信頼性のために密封したパッケージと同様に、より良好な封入を供給することを含む。キャビティ内が真空を持つ効果は、より硬い膜の不利な点であるが、特に空気トランスデューサのために膜の自由な動きを含む。キャビティは、周囲との圧力同等化を供給するために周囲に対して開いたままでもよく、よって、共振周波数、感度等のシフトのようなパラメータのシフト又はドリフトを低減するか又は回避する。しかしながら、開口キャビティは、湿気及び周囲に影響されやすい。選択は、アプリケーション環境に依存する。   In the embodiment shown in FIG. 6 (related to the embodiment shown in FIG. 4A with electrodes only on one side of the piezoelectric layer), or on top of the membrane layer 610 (410 in FIG. 4A). If so, a piezoelectric film is formed on top of the barrier layer 617, processed, and patterned (if desired) to form piezoelectric regions 620, 622, 624. Illustratively, the piezoelectric film may be, for example, lead zirconate titanate, which may or may not be doped with La, but may be any other piezoelectric material. Piezoelectric layer 620 may be continuous or patterned to match the width of the working area (402 in FIG. 4B). The plurality of transducer elements 600 are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array in which the element pitch is as small as the width 626 of the elements (also indicated by reference numeral 330 in FIG. 3). The left and right piezoelectric regions 622 and 624 shown in FIG. 6 do not have a piezoelectric function, but serve as spacers or support mounts as described below. The cavity with height 826 is filled with gas or evacuated during the bonding process depending on the application. For example, the effects of gas-filled cavities include providing better encapsulation as well as sealed packages for better reliability in harsh surroundings. The effect of having a vacuum in the cavity is a disadvantage of a stiffer membrane, but includes the free movement of the membrane, especially for air transducers. The cavity may remain open relative to the ambient to provide pressure equalization with the ambient, thus reducing or avoiding parameter shifts or drifts such as shifts in resonance frequency, sensitivity, etc. However, the open cavity is sensitive to moisture and surroundings. The choice depends on the application environment.

更に、一つ以上のメタライゼーション層は、圧電薄膜の一方の側に付与され、図6のストリップ630として示される電極を形成するためパターニングされる。実例として、例えば約1μmの総厚さを持つ薄いTiW層及びAl層である第1の金属層スタックが形成され、電極ストリップ630、630'の第1のセットを形成するためにパターニングされ、第2の金属層が、電極ストリップ635、635'の第2のセットを形成するために電極ストリップ630、630'の第1のセットの上に形成されパターニングされる。本願明細書において示されるスタック又は層は、例えば、交互の層で形成される2つ以上の物質の単一の層又はマルチレイヤであることを理解すべきである。第2の金属ストリップ635、635'は、例えば約1μmの総厚さを持つTi層及びAu層の金属層スタックである。もちろん、例えばTi及びAuのスタックから1つの金属スタックだけを含むような、金属の何らかの適切な組合せ及びタイプが、電極を形成するために用いられる。圧電薄膜及び金属層のパターン構成は、フォトレジスト層及びエッチングを使用して、良く知られたリソグラフィ方法のような何らかの適切な方法による。   In addition, one or more metallization layers are applied to one side of the piezoelectric film and patterned to form an electrode shown as strip 630 in FIG. Illustratively, a first metal layer stack, for example a thin TiW layer and an Al layer with a total thickness of about 1 μm, is formed, patterned to form a first set of electrode strips 630, 630 ′, Two metal layers are formed and patterned on the first set of electrode strips 630, 630 ′ to form a second set of electrode strips 635, 635 ′. It should be understood that the stacks or layers shown herein are, for example, a single layer or multiple layers of two or more materials formed of alternating layers. The second metal strips 635, 635 ′ are, for example, a metal layer stack of Ti and Au layers having a total thickness of about 1 μm. Of course, any suitable combination and type of metals can be used to form the electrodes, for example including only one metal stack from a stack of Ti and Au. The patterning of the piezoelectric thin film and the metal layer is by any suitable method, such as a well-known lithography method, using a photoresist layer and etching.

各アレイ素子又は圧電性の領域の対向し合う縁では、前記金属層は厚めでもよく、周辺の金属ストリップの高さを増大し、約200nmから2μmまで又はより高く、例えば20μmまでの高さを持つ支持マウント660、660'を形成するため、前に形成された金属ストリップの上に形成される他の金属層650、650'を含む。他の金属層650、650'は、Ti及び/若しくはAu又は金属の何らかの適切な組合せ及びタイプでよい。   At the opposing edges of each array element or piezoelectric region, the metal layer may be thicker, increasing the height of the surrounding metal strip, increasing the height from about 200 nm to 2 μm or higher, for example up to 20 μm. In order to form a supporting mount 660, 660 ′ having other metal layers 650, 650 ′ formed on the previously formed metal strip. The other metal layers 650, 650 ′ may be any suitable combination and type of Ti and / or Au or metal.

図8A、8Bに関連してより詳細に説明されるように、厚くされた端又は周縁の金属層(追加の又は他の金属層650、650'を持つ)も、支持マウント660、660'として働き、これらマウントの上に後部エンド基板640をマウントする。特に、図6に示されるデバイス600の上部で、すなわち、圧電性の領域620、622、624又はアレイ素子の対向し合う縁の周辺金属ストリップ又は支持マウント650、650'の上に、後部エンド基板640は、例えば、Ti/Auのような適切なコンタクト金属を使用して超音波結合によりマウントされる。もちろん、熱圧着等の何らかの他の結合スキームが用いられてもよい。後部エンド基板640は、例えばシリコンであり、何らかの適切な結合剤を使用して何らかの他の結合技術によりマウントされてもよく、ここで、金属層650、650'及び電極ストリップ635、635'の第2のセット両方ともAuでよく、互いに超音波結合に非常に適している。   As described in more detail in connection with FIGS. 8A, 8B, thickened end or peripheral metal layers (with additional or other metal layers 650, 650 ′) are also provided as support mounts 660, 660 ′. The rear end substrate 640 is mounted on these mounts. In particular, at the top of the device 600 shown in FIG. 6, ie, on the rear end substrate on the peripheral metal strips or support mounts 650, 650 ′ of the piezoelectric regions 620, 622, 624 or opposing edges of the array elements. The 640 is mounted by ultrasonic bonding using a suitable contact metal such as, for example, Ti / Au. Of course, any other coupling scheme such as thermocompression bonding may be used. The back end substrate 640 is, for example, silicon and may be mounted by any other bonding technique using any suitable bonding agent, where the first of the metal layers 650, 650 ′ and electrode strips 635, 635 ′. Both sets of two can be Au and are very suitable for ultrasonic coupling with each other.

後部エンド基板640がマウントされる周辺金属ストリップ又は支持体660、660'は、圧電層の上、0.5―30μmの厚みを持つ。もちろん、これらの高さを増大するために周辺金属ストリップ635、635'の上に他の金属ストリップ650、650'を形成する代わりに、他の金属ストリップ650、650'が後部エンド基板640に付与されてもよく、このとき後部エンド基板640は周辺金属ストリップ635、635'の上部にマウントされ、ここで金属(635)上の金属(650)の単純な結合が実行され、超音波結合の場合にはAuが金属層650、635両方に適している。もちろん、所望ならば、所望の高さの支持マウントが後部エンド基板640上に形成され、後部エンド基板640の斯様な支持マウントは、膜610の上部に、又は膜610の上に形成された適切な層の上部に結合されてもよい。   The peripheral metal strip or support 660, 660 ′ on which the rear end substrate 640 is mounted has a thickness of 0.5-30 μm above the piezoelectric layer. Of course, instead of forming other metal strips 650, 650 'over the peripheral metal strips 635, 635' to increase their height, other metal strips 650, 650 'are applied to the rear end substrate 640. In this case, the rear end substrate 640 is mounted on top of the peripheral metal strips 635, 635 ′, where a simple bonding of the metal (650) on the metal (635) is performed, in the case of ultrasonic bonding In this case, Au is suitable for both the metal layers 650 and 635. Of course, if desired, a desired height support mount was formed on the rear end substrate 640, and such support mounts on the rear end substrate 640 were formed on top of the membrane 610 or on the membrane 610. It may be bonded to the top of a suitable layer.

所望ならば、後部エンド基板640と圧電トランスデューサ領域との間に非常に大きなギャップ826を達成するために、代替的スタックにおいて、圧電性の膜610が作用している領域に、溝が後部エンド基板640に彫りつけられてもよい。このことを達成するために、金属領域650及び650'、例えば後部エンド基板640(例えば2μmの厚さのSiO層を持つSi基板で例えばありえる)の上部にある薄いTi及びAu層である当該金属領域650及び650'を堆積しパターニングの後、Ti/Auが堆積されない領域にSiO及びSiのためのドライエッチング・プロセス・ステップが付与される。ドライエッチング手順の他に、SiO及びSiに対するウエットエッチング技術が、また適用されてもよい。SiO及びSiのパターニングは、圧電トランスデューサと後部エンド基板640との間に数マイクロメートルから数十マイクロメートルまでのギャップを達成することを可能にする。 If desired, in an alternative stack, a groove is formed in the region where the piezoelectric film 610 is acting in the alternative stack to achieve a very large gap 826 between the rear end substrate 640 and the piezoelectric transducer region. 640 may be carved. To accomplish this, the metal regions 650 and 650 ′, such as the thin Ti and Au layers on top of the back end substrate 640 (eg, can be eg a Si substrate with a 2 μm thick SiO 2 layer) After depositing and patterning metal regions 650 and 650 ′, dry etching process steps for SiO 2 and Si are applied to regions where Ti / Au is not deposited. In addition to the dry etching procedure, wet etching techniques for SiO 2 and Si may also be applied. The SiO 2 and Si patterning makes it possible to achieve gaps from several micrometers to tens of micrometers between the piezoelectric transducer and the back end substrate 640.

後部エンド基板640は、一体型の電子部品、ガラス基板又は何らかの他の基板を持つか又は持たないシリコン基板である。マウントされた後部エンド基板640は、一体型の電子部品、トランジスタ、受動素子等を持つSiデバイスを含んでもよい。例えば、一次元及び/又は二次元アレイに対する高い素子数相互接続を可能にするため、例えば、開口部又はバイア穴が後部エンド基板640に供給されてもよい。   The rear end substrate 640 is a silicon substrate with or without an integrated electronic component, glass substrate or some other substrate. The mounted rear end substrate 640 may include a Si device having integrated electronic components, transistors, passive elements, and the like. For example, openings or via holes may be provided in the back end substrate 640, for example, to allow high element number interconnections for one-dimensional and / or two-dimensional arrays.

点線615により示されるトランスデューサアレイの下に担持される前部又は下部のシリコン基板615(その上に、種々の層、例えば、膜、障壁層、圧電層及び金属化層が形成され、パターニングされる)は、前記種々の層を形成しパターニングした後、完全に、又は、部分的にエッチングされ、アレイ素子の縁で金属化領域を厚くして、その上に後部基板640をマウントする。前部又は下部のシリコン基板615は、例えば、ウェット化学エッチング、ドライエッチング、グラインド及び/若しくは研摩、又はこれらの組み合わせにより完全に、又は、部分的にエッチングされる。パターニングされず、むしろ能動的なアレイ領域内でほとんど完全に除去されるので、前部若しくは下部の基板615のバルクマイクロ機械加工若しくはリソグラフィ・エッチングの何れの使用又は位置合わせが必要ない点に留意されたい。すなわち、2サイドリソグラフィが必要でない。これは、製造時間及び経費を減らす。   A front or lower silicon substrate 615 carried under a transducer array indicated by dotted lines 615 (on which various layers, for example films, barrier layers, piezoelectric layers and metallization layers are formed and patterned) ), After forming and patterning the various layers, is fully or partially etched to thicken the metallized region at the edge of the array element and mount the back substrate 640 thereon. The front or lower silicon substrate 615 is completely or partially etched by, for example, wet chemical etching, dry etching, grinding and / or polishing, or a combination thereof. It is noted that neither the use or alignment of bulk micromachining or lithographic etching of the front or lower substrate 615 is required since it is not patterned, but rather is almost completely removed within the active array region. I want. That is, two-side lithography is not necessary. This reduces manufacturing time and costs.

図3に関連して説明されたように、1つの素子から同じ及び/若しくは異なるサイズ及び/又は形状の数十、数百又は数千もの素子にさえわたる複数の素子310がアレイ300に供給される。例えば50―450KHzの周波数でデバイスを動作させるために、これらの素子は、数百マイクロメートルから数千マイクロメートルのオーダーのピッチで設計される。200―300KHzで動作するトランスデューサアレイ700のためのデザインの例は図7に示され、素子710の断面が図8Aに示される。例えば、円形の膜又は素子及び何らかの形状のアレイのような、これらの低周波でトランスデューサの効果的な動作を可能にする何れの他のデザインも可能であることは理解されるべきである。   As described in connection with FIG. 3, a plurality of elements 310, ranging from a single element to tens, hundreds or even thousands of elements of the same and / or different sizes and / or shapes, are provided to the array 300. The For example, to operate the device at a frequency of 50-450 KHz, these elements are designed with a pitch on the order of hundreds to thousands of micrometers. An example design for a transducer array 700 operating at 200-300 KHz is shown in FIG. 7, and a cross-section of element 710 is shown in FIG. 8A. It should be understood that any other design that allows effective operation of the transducer at these low frequencies is possible, such as, for example, circular membranes or elements and arrays of some shape.

低電圧での動作を可能にしながら、ほぼ50―450KHzの範囲でデバイスの所望の共振周波数を依然達成するため、トランスデューサ素子800は、図8Aに示されるように、400―1500μmのピッチ626を持ち、これは、インターデジタル電極840、845が、図2Bに示されるインターデジタル電極250、255と同様に、圧電層820の一方の側上にだけ形成される図4Aと関連したデザインである。   In order to still achieve the desired resonant frequency of the device in the range of approximately 50-450 KHz while allowing operation at low voltages, the transducer element 800 has a pitch 626 of 400-1500 μm, as shown in FIG. 8A. This is a design associated with FIG. 4A in which the interdigital electrodes 840, 845 are formed only on one side of the piezoelectric layer 820, similar to the interdigital electrodes 250, 255 shown in FIG. 2B.

図8Aは、また、膜830を示し、中心能動的な領域821を形成するために当該膜830の上に圧電層820が形成されパターニングされ、当該中心能動的な領域821の上にインターデジタル・レイアウトを持つ電極840、845が付与される。インターデジタル電極840、845及び増大された数のインターデジタル電極の間の非常に小さなスペーシングを利用して、低電圧動作が達成される。   FIG. 8A also shows a film 830 where a piezoelectric layer 820 is formed and patterned on the film 830 to form a central active region 821, and an interdigital layer is formed on the central active region 821. Electrodes 840 and 845 having a layout are provided. Low voltage operation is achieved utilizing very small spacing between the interdigital electrodes 840, 845 and an increased number of interdigital electrodes.

圧電材料622、624も周辺領域822、824に残り、当該周辺領域822、824の上にメタライゼーション層が形成され、これは電極840、845と圧電性の周辺領域622、624の上に第1の金属領域860とを形成するためにパターニングされる。第2のメタライゼーション層870は、同じ又は異なる金属(図6に関連しても説明されているように)を使用して、第1の金属領域860の上に形成される。第2のメタライゼーション層870は、能動的な領域821の電極及び圧電層820の厚み、すなわち高さ828(又は図8Bの828')を超えて、周辺領域又は支持マウント822、824の厚み、すなわち高さ826(又は図8Bの826')を増大させる。トランスデューサ素子は、上部又は後部基板640と、結合剤、超音波結合又は熱圧着により例えばクランプされて、マウントされる。   Piezoelectric material 622, 624 also remains in the peripheral region 822, 824, and a metallization layer is formed over the peripheral region 822, 824, which is the first over the electrodes 840, 845 and the piezoelectric peripheral region 622, 624. To form a metal region 860. The second metallization layer 870 is formed over the first metal region 860 using the same or different metal (as also described in connection with FIG. 6). The second metallization layer 870 extends beyond the thickness of the electrode and piezoelectric layer 820 of the active region 821, ie, the height 828 (or 828 'of FIG. 8B), the thickness of the peripheral region or support mount 822, 824, That is, the height 826 (or 826 ′ in FIG. 8B) is increased. The transducer element is mounted on the upper or rear substrate 640, for example clamped by binder, ultrasonic bonding or thermocompression bonding.

トランスデューサ素子のアレイ(図7の700及び図3の300)は、400―800μmのピッチ320(図3)を持つ素子が、ビーム・ステアリング及びスキャンのために例えば並列に接続されるように構成されて形成される。図4A及び4Bと関連して説明されたように、膜830は、前部又は下部の基板(図6の点線615により示されるように、後で取り除かれる)の上に形成されるシリコン窒化物層847とシリコン窒化物層847の上に形成されるシリコン酸化物層850とを、又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物層の組合せを含む。   The array of transducer elements (700 in FIG. 7 and 300 in FIG. 3) is configured such that elements having a pitch 320 (FIG. 3) of 400-800 μm are connected, for example, in parallel for beam steering and scanning. Formed. As described in connection with FIGS. 4A and 4B, film 830 is formed on a silicon nitride formed on a front or lower substrate (which is later removed as shown by dotted line 615 in FIG. 6). Layer 847 and silicon oxide layer 850 formed over silicon nitride layer 847 or a combination of silicon nitride and silicon oxide layers.

説明されているように、隣接する電極に異なる符号(すなわち、極性)電圧を印加する電圧信号が、インターデジタル電極840、845に印加され、よって、電極840、845の間にインプレイン電界を作り、よって、圧電層820を当該圧電層820の面内での長手方向の振動へ励起する。圧電素子の長さの変化は、膜830を振動へと励起する。   As described, a voltage signal that applies a different sign (ie, polarity) voltage to adjacent electrodes is applied to the interdigital electrodes 840, 845, thus creating an in-plane electric field between the electrodes 840, 845. Therefore, the piezoelectric layer 820 is excited by vibration in the longitudinal direction in the plane of the piezoelectric layer 820. The change in length of the piezoelectric element excites the membrane 830 into vibration.

もちろん、電極が圧電層の一方の側に供給されるデザインの代わりに、電極は、図5に関連して説明され、パターニングされた圧電層又は領域820'が2つの対向し合う電極840'、845'の間に挟まれた図8Bに示されるように、圧電層の両側に供給されてもよい。この場合、圧電層820'は、パターニングされた対向し合う電極840'、845'に整合する領域にパターニングされる。   Of course, instead of a design in which the electrode is supplied on one side of the piezoelectric layer, the electrode is described in connection with FIG. 5, where the patterned piezoelectric layer or region 820 ′ has two opposing electrodes 840 ′, As shown in FIG. 8B sandwiched between 845 ′, it may be supplied to both sides of the piezoelectric layer. In this case, the piezoelectric layer 820 'is patterned in a region that matches the patterned opposing electrodes 840', 845 '.

図8Bに示される実施例では、圧電層820'は、電圧を印加するための一対の相補型電極840'、845'で両側からカバーされる。もちろん、図8A又は8Bに示される何れかの実施例の電極のうちの1つが接地されてもよい。実例として、底部電極840'は、例えばTi/Pt電極であり、一番上の電極845'はTi/Au電極である。もちろん、圧電層と互換性を持つ何れの他の電極物質が使われてもよい。   In the embodiment shown in FIG. 8B, the piezoelectric layer 820 ′ is covered from both sides with a pair of complementary electrodes 840 ′, 845 ′ for applying a voltage. Of course, one of the electrodes of any of the embodiments shown in FIGS. 8A or 8B may be grounded. Illustratively, the bottom electrode 840 ′ is, for example, a Ti / Pt electrode and the top electrode 845 ′ is a Ti / Au electrode. Of course, any other electrode material compatible with the piezoelectric layer may be used.

デザインは、他の実施例によるトランスデューサ801を表す図8Cに示されるように作動領域の直列接続を用いることにより、駆動電子部品の電気的インピーダンスを整合するように修正されてもよい。斯様なデザインはまた、依然許容できる抵抗損失を持つ薄めの電極を使用してもよい。信号電圧は、膜の曲りモードを妨げることのない追加の金属層630を加えることにより良好な導電を作る周辺トップ電極880、885の間に印加される。圧電層620の対向し合う側上の重なる電極890、895は、浮いているか、又は外部の小さなリーク電圧分圧器、例えば、高い値の抵抗チェーンに接続されてもよい。図8Cでは、圧電層620の能動的な部分は、重なり合う底部電極890とトップ電極895との間の容量性結合により直列に接続されるセグメントに分けられる。さらにもう一つ他の変形例(また、すべての例にあてはまる)は、図8Dに示されるような圧電結合を強化するためにDCバイアス電圧を印加することである。前記バイアス電圧は、抵抗891,893を介してポート892、894により、素子880、885、887、890に供給されてもよい。入力信号もまた、例えばポート895、896を介して供給されてもよい。このようにして、また、電歪物質が活性層620として使用でき、又はバイアス接続が圧電材料の極のために用いられてもよい。   The design may be modified to match the electrical impedance of the drive electronics by using a series connection of working regions as shown in FIG. 8C representing a transducer 801 according to another embodiment. Such a design may also use thin electrodes with still acceptable resistance losses. A signal voltage is applied between the peripheral top electrodes 880, 885 that creates good electrical conductivity by adding an additional metal layer 630 that does not interfere with the bending mode of the film. Overlapping electrodes 890, 895 on opposite sides of the piezoelectric layer 620 may be floating or connected to an external small leakage voltage divider, such as a high value resistor chain. In FIG. 8C, the active portion of the piezoelectric layer 620 is divided into segments connected in series by capacitive coupling between the overlapping bottom electrode 890 and top electrode 895. Yet another variation (and applies to all examples) is to apply a DC bias voltage to enhance the piezoelectric coupling as shown in FIG. 8D. The bias voltage may be supplied to elements 880, 885, 887, and 890 via ports 892 and 894 through resistors 891 and 893. Input signals may also be supplied via ports 895, 896, for example. In this way, an electrostrictive material can also be used as the active layer 620, or a bias connection may be used for the pole of the piezoelectric material.

斯様な薄膜トランスデューサアレイは、独立の薄膜圧電トランスデューサ膜に対する図9のプロット線900で示されるように、50―450のKHzの周波数で動作し、ここでx軸は周波数であり、y軸は電気的インピーダンスの実数部分である。   Such a thin film transducer array operates at a frequency of 50-450 KHz, as indicated by plot line 900 in FIG. 9 for an independent thin film piezoelectric transducer film, where the x-axis is frequency and the y-axis is It is the real part of the electrical impedance.

本願明細書の説明の観点から当業者により認識されるように、さまざまな変更態様が提供されてもよい。例えば、作動電極は、膜の中心又は膜の縁に単一のプレート・キャパシタを形成してもよい。あるいは、単一のプレート・キャパシタは、駆動回路の動作電圧と整合する直列構成で接続されるより小さな領域に分けられてもよい。上記のトランスデューサ、センサ及びシステムの各々は、他のシステムと連動して利用されてもよい。   Various modifications may be provided, as will be appreciated by those skilled in the art in view of the description herein. For example, the working electrode may form a single plate capacitor at the center of the film or at the edge of the film. Alternatively, a single plate capacitor may be divided into smaller areas connected in a series configuration that matches the operating voltage of the drive circuit. Each of the transducers, sensors, and systems described above may be utilized in conjunction with other systems.

更に、それぞれの内容が完全に参照によりここに組み込まれる譲受人に譲渡されたクレーらによるWO03/092915、米国特許第6,515,402号、米国特許第6,548,937号及びフレーザーらによるWO03/092916に説明されているように、さまざまな物質が、種々異なる層で使われてもよい。
例えば、障壁層は、以下の一つ以上から形成されてもよい:TiO、Al、HfO、MgO及び/鉱石ZrO
圧電薄膜物質は、以下を含む:
1.ドーピングする又はしないPbZrTi1―x(0≦x≦1)。ドーピングは、La、Mn、Fe、Sb、Sr、Ni又はこれらのドーピングの組合せを有する。
2.Pb(Zn1/3Nb2/3)O―PbTiO、Pb(Mg1/3Nb2/3)O―PbTiO、Pb(Ni1/3Nb2/3)O―PbTiO、Pb(Sc1/3Nb2/3)O―PbTiO、Pb(Zn1/3Nb2/31―x―y(Mn1/2Nb1/2Ti(0≦x≦1、0≦y≦1)、Pb(In1/2Nb1/2)O―PbTiO、SrTaGaSi14、K(Sr1―xBaNb15(0≦x≦1)、Na(Sr1―xBaNb15(0≦x≦1)、BaTiO、(K1―xNa)NbO(0≦x≦1)、(Bi,Na,K、Pb,Ba)TiO、(Bi,Na)TiO、BiTiNbO21、(K1―xNa)NbO―(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO(0≦x≦1)、a(BiNa1―x)TiO3―b(KNbO3―c1/2(Bi―Sc)(0≦x≦1、a+b+c=1)、(BaSrCa)TiZr1―x(0≦x≦1、a+b+c=1)、(BaSrLa)BiTi15(a+b+c=1)、BiTi12、LiNbO、LaGa5.5Nb0.514、LaGaSiO14、LaGa5.5Ta0.514
In addition, according to WO 03/092915, U.S. Pat. No. 6,515,402, U.S. Pat. No. 6,548,937 and Fraser et al. A variety of materials may be used in different layers as described in WO 03/092916.
For example, the barrier layer may be formed from one or more of the following: TiO 2, Al 2 O 3 , HfO 2, MgO and / ore ZrO 2.
Piezoelectric thin film materials include:
1. PbZr x Ti 1-x O 3 with or without doping (0 ≦ x ≦ 1). The doping has La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni or a combination of these dopings.
2. Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 --PbTiO 3 , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 --PbTiO 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3- PbTiO 3 , Pb (Sc 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 , Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) 1-xy (Mn 1/2 Nb 1/2 ) x Ti y O 3 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Pb (In 1/2 Nb 1/2 ) O 3 —PbTiO 3 , Sr 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , K (Sr 1−x Ba x ) 2 Nb 5 O 15 (0 ≦ x ≦ 1), Na (Sr 1−x Ba x ) 2 Nb 5 O 15 (0 ≦ x ≦ 1), BaTiO 3 , (K 1−x Na x ) NbO 3 (0 ≦ x ≦ 1), (Bi , Na, K, Pb, Ba) TiO 3, (Bi, Na) TiO 3, B 7 Ti 4 NbO 21, (K 1-x Na x) NbO 3 - (Bi, Na, K, Pb, Ba) TiO 3 (0 ≦ x ≦ 1), a (Bi x Na 1-x) TiO 3- b (KNbO 3−c ) 1/2 (Bi 2 O 3 −Sc 2 O 3 ) (0 ≦ x ≦ 1, a + b + c = 1), (Ba a Sr b Ca c ) Ti x Zr 1−x O 3 ( 0 ≦ x ≦ 1, a + b + c = 1), (Ba a Sr b La c ) Bi 4 Ti 4 O 15 (a + b + c = 1), Bi 4 Ti 3 O 12 , LiNbO 3 , La 3 Ga 5.5 Nb 0.5 . 5 O 14 , La 3 Ga 5 SiO 14 , La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14

更に、支持マウント822、824(例えば図8Bに示されるような)を形成するさまざまなスタック又は層は、圧電層622及び後部基板640の1つ又は両方の上に形成されてもよい。例えば、2つの金属層630、635は圧電層622の上に形成され、1つの金属層650は第2の金属層635と結合するために後部基板640上に形成される。代わりに、又は加えて、第1の金属層630は圧電層622上に形成され、2つの金属層650、635は後部基板640上に形成され、ここで、第2の金属層635は第1の金属層630と結合される。   Further, various stacks or layers forming support mounts 822, 824 (eg, as shown in FIG. 8B) may be formed on one or both of piezoelectric layer 622 and back substrate 640. For example, two metal layers 630, 635 are formed on the piezoelectric layer 622, and one metal layer 650 is formed on the back substrate 640 for bonding with the second metal layer 635. Alternatively or additionally, the first metal layer 630 is formed on the piezoelectric layer 622, and the two metal layers 650, 635 are formed on the back substrate 640, where the second metal layer 635 is the first metal layer 635. Of the metal layer 630.

支持マウント(例えば、図8Bに示される支持マウント822、824)を形成するさまざまなスタック又は層は、以下の物質の一つ以上を含み、ここで、第1の金属層630が圧電層622の上に形成され、第2の金属層635は第1の金属層630の上に形成される。他の金属層650は、表1に示されるように後部基板640上に形成される。例えば、表1の第1行は、Ti層が圧電層622の上に形成され、Au層が前記Ti層の上に形成され、ここで、Ti及びAu層は第1の金属層630を形成する実施例を示す。他のAu層は、第1の金属層のAu層の上に第2の金属層635として形成される。後部基板640上に、Ti層が形成される。このTi層の上にAu層が形成され、ここで、これらのTi及びAu層は後部基板640上に付加のすなわち他の層650を形成する。次に、他の層650のAu層は、第2の金属層635のAu層に結合される。

Figure 0005676255
The various stacks or layers forming the support mount (eg, support mounts 822, 824 shown in FIG. 8B) include one or more of the following materials, where the first metal layer 630 is the piezoelectric layer 622's. A second metal layer 635 is formed over the first metal layer 630. Another metal layer 650 is formed on the back substrate 640 as shown in Table 1. For example, in the first row of Table 1, the Ti layer is formed on the piezoelectric layer 622 and the Au layer is formed on the Ti layer, where the Ti and Au layers form the first metal layer 630. An embodiment is shown. The other Au layer is formed as a second metal layer 635 on the Au layer of the first metal layer. A Ti layer is formed on the rear substrate 640. An Au layer is formed over this Ti layer, where these Ti and Au layers form an additional or other layer 650 on the back substrate 640. Next, the Au layer of the other layer 650 is bonded to the Au layer of the second metal layer 635.
Figure 0005676255

もちろん、何らかの他の金属及び金属スタックの組合せが、各種層を形成するために用いられてもよい。更に、後部基板640上に他の層650だけを形成する代わりに、第2の金属層635は、(第1の金属層630の上に形成される代わりに)他の層650上にも形成されてもよい。後部基板640上に層650、635のスタックを形成した後、第2の金属層635は、圧電層622の上に形成される第1の金属層630に結合される。この場合、第2の金属層635は、(例えば、図6及び図8Bに示されるように第1の金属層630に重なる代わりに)他の層650に重なるだろう。表2は、他の層650が後部基板640上に形成され、第2の金属層635が他の層650上に形成される場合の層の各種実施形態を示す。

Figure 0005676255
Of course, any other combination of metals and metal stacks may be used to form the various layers. Further, instead of forming only the other layer 650 on the back substrate 640, the second metal layer 635 is also formed on the other layer 650 (instead of being formed on the first metal layer 630). May be. After forming the stack of layers 650, 635 on the back substrate 640, the second metal layer 635 is bonded to the first metal layer 630 formed on the piezoelectric layer 622. In this case, the second metal layer 635 will overlap the other layer 650 (eg, instead of overlapping the first metal layer 630 as shown in FIGS. 6 and 8B). Table 2 shows various embodiments of layers where another layer 650 is formed on the back substrate 640 and a second metal layer 635 is formed on the other layer 650.
Figure 0005676255

表2に示されるように、他の層650の層の一つで第1のAu層を形成して、それから第2の層635として(第1のAu層の上に)第2のAu層を形成する代わりに、単独で厚いAu層が後部基板640上に形成される(他の層650の)Ti層の上に形成されてもよいことに留意されたい。表1の第1の行の場合のように、表2の行1つに示された実施例において、Ti層が圧電層622の上に形成され、Au層が第1の層630を形成するためにTi層の上に形成され、これは後部基板640のTi層上に形成される厚いAu層に結合される。もちろん、何らかの他の金属及び金属スタックの組合せが、表2にみられる各種層を形成するために用いられてもよい。   As shown in Table 2, one of the other layers 650 forms a first Au layer, and then as a second layer 635 (on top of the first Au layer) a second Au layer Note that instead of forming a single thick Au layer may be formed on the Ti layer (of the other layer 650) formed on the back substrate 640. As in the case of the first row of Table 1, in the embodiment shown in one row of Table 2, the Ti layer is formed on the piezoelectric layer 622 and the Au layer forms the first layer 630. Is formed on a Ti layer, which is bonded to a thick Au layer formed on the Ti layer of the rear substrate 640. Of course, any other combination of metals and metal stacks may be used to form the various layers found in Table 2.

特定のアプリケーションにおいては、トランスデューサアレイの異なる形状が望ましい。例えば、参照により完全にここに組み込まれるウィルスラによる米国特許出願公開番号第2007/0013264号は、半導体材料の担体基板のスラブ上に形成される容量性膜超音波トランスデューサアレイを記述している。基板の2つのスラブは、曲りを許容するより薄い基板ブリッジにより離隔されるか又は接続される。離隔されたか薄く接続されたスラブは、カーブするアレイとなる剛性湾曲面に沿って位置される。前記スラブは、湾曲の程度に耐えるのに十分可撓性である伝導相互接続により接続される。所望の形状が湾曲面の上にスラブを配置することにより達成されるが、スラブを接続する薄いブリッジ又は導体は壊れやすい。更に、湾曲面自体は、堅くて可撓性ではない。   In certain applications, different shapes of the transducer array are desirable. For example, U.S. Patent Application Publication No. 2007/0013264 by Virala, which is fully incorporated herein by reference, describes a capacitive membrane ultrasonic transducer array formed on a slab of a carrier substrate of semiconductor material. The two slabs of the substrate are separated or connected by a thinner substrate bridge that allows bending. Separated or thinly connected slabs are positioned along a rigid curved surface that forms a curved array. The slabs are connected by conductive interconnects that are flexible enough to withstand the degree of curvature. Although the desired shape is achieved by placing the slab on a curved surface, the thin bridge or conductor connecting the slab is fragile. Furthermore, the curved surface itself is hard and not flexible.

本デバイス及びシステムの一つの実施例においては、よりよく保護され、剛性表面をそれ自身必要とすることなく所望の形状に形成されるトランスデューサの改良された又は実に可撓性のアレイが供給される。例えば、図3に示されるアレイ300は、少なくとも一つの無指向性動き及び存在検出器として構成される、少なくとも一つの薄膜可撓性超音波トランスデューサを含む。可撓性超音波トランスデューサの代わりに、又はそれに加えて、少なくとも一つの薄膜可撓性焦電センサが供給される。可撓性の超音波及び焦電センサの組合せは、2タイプのセンサ、すなわち、焦電及び超音波センサを利用して、焦電センサが例えば(IR信号検出のために一連の視界を必要とする不利な点を持つ)赤外線の(IR)信号を使用した温度変化の検出に基づき、超音波センサが障壁周辺で超音波信号を検出するが視界の直接のラインを必要としないので、偽の不在警報又は誤警報の提供が少なくなる。   In one embodiment of the device and system, an improved or truly flexible array of transducers is provided that is better protected and formed into the desired shape without the need for a rigid surface itself. . For example, the array 300 shown in FIG. 3 includes at least one thin film flexible ultrasonic transducer configured as at least one omnidirectional motion and presence detector. Instead of or in addition to the flexible ultrasonic transducer, at least one thin film flexible pyroelectric sensor is provided. The combination of flexible ultrasonic and pyroelectric sensors utilizes two types of sensors, i.e., pyroelectric and ultrasonic sensors, where the pyroelectric sensor, for example (requires a series of views for IR signal detection). Based on the detection of temperature changes using infrared (IR) signals (which have the disadvantage of), the ultrasonic sensor detects ultrasonic signals around the barrier but does not require a direct line of sight, so Less out of office or false alarms are provided.

超音波及び/又は焦電トランスデューサのアレイの柔軟性は、さまざまな形状のアレイの実現を可能にする。斯様な可撓性のトランスデューサアレイは、何らかの所望の形状、例えば円錐形状に形成されて、天井にマウントされる。これは、超音波及び/又はIR信号の無指向性伝送及び検出を可能にする。   The flexibility of the array of ultrasonic and / or pyroelectric transducers allows the realization of arrays of various shapes. Such a flexible transducer array is formed into any desired shape, for example a conical shape, and mounted on the ceiling. This allows omnidirectional transmission and detection of ultrasound and / or IR signals.

例えば、図10に示されるセラミック圧電素子及び/又は図11、図12に示される薄膜トランスデューサのような、トランスデューサの何らかのタイプのトランスデューサの可撓性のアレイを含む実施例が実現される。   Embodiments are realized that include a flexible array of transducers of some type, such as, for example, a ceramic piezoelectric element as shown in FIG. 10 and / or a thin film transducer as shown in FIGS.

特に、図10は、2つの電極1030、1040にはさまれる圧電材料1020の層を持つセラミック圧電素子を有するトランスデューサ1010の可撓性のアレイ1000の一つの実施例を示す。もちろん、所望ならば、電極は、図2A、図4A、図6及び図8Aに関連するような上述のものと同様に、圧電材料1020の一方の側にだけ位置されてもよい。   In particular, FIG. 10 shows one embodiment of a flexible array 1000 of transducers 1010 having a ceramic piezoelectric element with a layer of piezoelectric material 1020 sandwiched between two electrodes 1030, 1040. Of course, if desired, the electrodes may be located on only one side of the piezoelectric material 1020, similar to that described above in connection with FIGS. 2A, 4A, 6 and 8A.

図10に示されるように、ワイヤボンド又はパターニングされた導電通路である点線1060として示される相互接続を有する可撓性のキャリア1050上に、例えば行及び列のアレイとして、トランスデューサ1010はマウントされる。相互接続1060は、電極を相互接続させたり、電源、電子回路、コントローラ、トランジスタ、スイッチ、受動的又は能動的なデバイス等への接続のためのような所望の他の素子に相互接続させる。可撓性の超音波トランスデューサアレイ1000は、薄膜超音波及び/又は焦電トランスデューサを含む、無指向性動き検出のための何らかの所望の形状を持つセンサの実現を可能にする。トランスデューサ1010は、可撓性である必要がなく、可撓性のフォイル1050の動きを許容しアレイ1000を何らかの所望の形状に形作ることを可能にするギャップ1070により離隔されて、可撓性のフォイル1050に結合されるなどして、単にマウントされていてもよい。   As shown in FIG. 10, transducer 1010 is mounted, for example as an array of rows and columns, on a flexible carrier 1050 having interconnects shown as dotted lines 1060 which are wire bonds or patterned conductive paths. . Interconnect 1060 interconnects the electrodes or other desired elements such as for connection to power supplies, electronics, controllers, transistors, switches, passive or active devices, and the like. The flexible ultrasonic transducer array 1000 enables the realization of sensors with any desired shape for omnidirectional motion detection, including thin film ultrasonic and / or pyroelectric transducers. The transducers 1010 need not be flexible and are separated by a gap 1070 that allows movement of the flexible foil 1050 and allows the array 1000 to be shaped into any desired shape. It may be simply mounted, such as coupled to 1050.

図10に示される実施例のトランスデューサ1010が膜を含まず、圧電スラブ1020が可撓性のキャリア1050を曲げるはずがないことに留意されたい。トランスデューサアレイ1010は可撓性のキャリア1050のため可撓性であるが、可撓性のキャリア1050の剛性が典型的にあまりに低すぎて良好な膜として作用できない。しかしながら、所望ならば、製造中に例えば事前に曲げて面内応力が曲げに変換されるように、シンメトリ破壊が導入されてもよい。更に、音響インピーダンスが整合せず、例えば圧電材料1020が水又は空気より硬いならば、広帯域の動作などのため、任意の整合層1075が図10に示される下側電極1030に供給されてもよい。加えて、中間の剛性を持つ層が、帯域幅を増大してエネルギ転送を容易にするために供給されてもよい。もちろん、曲り膜のような機械式変成器が用いられてもよい。   Note that the transducer 1010 of the embodiment shown in FIG. 10 does not include a membrane and the piezoelectric slab 1020 cannot bend the flexible carrier 1050. The transducer array 1010 is flexible because of the flexible carrier 1050, but the stiffness of the flexible carrier 1050 is typically too low to act as a good membrane. However, if desired, symmetry fracture may be introduced during manufacturing, for example, so that the in-plane stress is converted into a bend by pre-bending. Further, if the acoustic impedance does not match, for example, the piezoelectric material 1020 is harder than water or air, an optional matching layer 1075 may be provided to the lower electrode 1030 shown in FIG. . In addition, an intermediate rigid layer may be provided to increase bandwidth and facilitate energy transfer. Of course, a mechanical transformer such as a curved membrane may be used.

図11は、アレイ1100の他の実施例を示し、ここで、電子部品を持つ又は持たないシリコン部分にマウントされた、上部側に薄膜圧電素子を持つ2つの超音波トランスデューサデバイスが示される。超音波トランスデューサデバイスは、参照符号1150、1155として示される可撓性の層で両側がカバーされる。可撓性の圧電超音波トランスデューサアレイ1100は、説明された薄膜処理により実現される。図11において、2つの薄膜圧電超音波トランスデューサ素子は、参照符号1110、1120として示される。もちろん、例えば、等しいか異なる数の行及び列を持つような、何らかの所望の数のトランスデューサ素子が、何らかの所望の構成又はトポロジのアレイに含まれてもよい。薄膜処理は、可撓性の超音波トランスデューサアレイを実現するために適用される。代わりに、又は、加えて、可撓性の容量性マイクロ機械加工された超音波トランスデューサアレイが実現されてもよい。薄膜可撓性の超音波検出器に関連した上述と同じ技術が、薄膜可撓性の焦電検出器を実現するために用いられる。   FIG. 11 shows another embodiment of an array 1100 where two ultrasonic transducer devices with thin film piezoelectric elements on the top side mounted on a silicon portion with or without electronic components are shown. The ultrasonic transducer device is covered on both sides with a flexible layer shown as reference numerals 1150, 1155. The flexible piezoelectric ultrasonic transducer array 1100 is realized by the described thin film processing. In FIG. 11, two thin film piezoelectric ultrasonic transducer elements are shown as reference numbers 1110, 1120. Of course, any desired number of transducer elements may be included in an array of any desired configuration or topology, for example, having an equal or different number of rows and columns. Thin film processing is applied to realize a flexible ultrasonic transducer array. Alternatively or additionally, a flexible capacitive micromachined ultrasonic transducer array may be realized. The same techniques described above associated with thin film flexible ultrasonic detectors are used to implement a thin film flexible pyroelectric detector.

特に、図11に示される可撓性のアレイ1100の実施例は、2つのトランスデューサ1110、1120が示される薄膜超音波トランスデューサを有する。トランスデューサ1110、1120は、第1及び第2の可撓性の層1150、1555によって両側が囲まれる。図11は、一体化された電子部品を持つ又は持たないシリコン(Si)部分1130のような半導体部分と、シリコン(Si)部分1130の上部の誘電層に埋め込まれる相互接続構成体1132とを有する2つのトランスデューサ1110及び1120を持つ可撓性のトランスデューサアレイ1100を示す。異なるトランスデューサ素子1142のための相互接続ライン1140は、例えば、電気メッキを施された金(Au)を主成分とした再分布相互接続層を有する。例えば、シリコン窒化物及び/又はシリコン酸化物を有する薄膜の膜1186が供給される。膜1186上に、圧電薄膜層1184が形成される。例えば、チタン(Ti)及び/又はAuを有するメタライゼーション層1182が、例えば、超音波結合によりSi部分1130上に圧電性の部分1184をマウントするためのコンタクトを形成するために付与されてもよい。このコンタクト1182は、接地コンタクトとして働いてもよい。例えば、圧電層1184の上部にTi及び/又はAu層を有する他の金属コンタクト1188が形成されてもよく、信号回線としても使われる。もちろん、図11に示される実施例は、圧電素子を駆動するための信号ライン及びグランドとの接続のための1つのオプションであるが、本説明からみて当業者にとって明らかであるように、接続の他の方法も可能である。   In particular, the embodiment of the flexible array 1100 shown in FIG. 11 has a thin film ultrasonic transducer in which two transducers 1110, 1120 are shown. Transducers 1110, 1120 are surrounded on both sides by first and second flexible layers 1150, 1555. FIG. 11 includes a semiconductor portion, such as a silicon (Si) portion 1130 with or without integrated electronic components, and an interconnect structure 1132 embedded in a dielectric layer on top of the silicon (Si) portion 1130. A flexible transducer array 1100 with two transducers 1110 and 1120 is shown. The interconnect line 1140 for the different transducer elements 1142 has, for example, a redistributed interconnect layer based on electroplated gold (Au). For example, a thin film 1186 comprising silicon nitride and / or silicon oxide is provided. A piezoelectric thin film layer 1184 is formed on the film 1186. For example, a metallization layer 1182 comprising titanium (Ti) and / or Au may be applied, for example, to form a contact for mounting the piezoelectric portion 1184 on the Si portion 1130 by ultrasonic bonding. . This contact 1182 may serve as a ground contact. For example, another metal contact 1188 having a Ti and / or Au layer may be formed on the piezoelectric layer 1184 and used as a signal line. Of course, the embodiment shown in FIG. 11 is one option for connection to the signal line and ground to drive the piezoelectric element, but as will be apparent to those skilled in the art from this description, Other methods are possible.

可撓性であることに加えて、薄膜超音波トランスデューサアレイ1100は、また、アレイの両側上に2つの可撓性のフォイル1150、1555により保護されている。もちろん、薄膜超音波トランスデューサに加えて、又はその代わりに、焦電トランスデューサが用いられてもよい。   In addition to being flexible, the thin film ultrasonic transducer array 1100 is also protected by two flexible foils 1150, 1555 on both sides of the array. Of course, pyroelectric transducers may be used in addition to or instead of thin film ultrasonic transducers.

図12は、2つ以上の超音波トランスデューサ1210、1220の可撓性のアレイ1200の他の実施例を示し、ここで、各トランスデューサは、例えば、図8Aに関連して説明される超音波トランスデューサ800と同様である。図12に示されるように、各超音波トランスデューサ1210、1220の後部基板1240は、可撓性のフォイル又はポリマ層1250に、例えば結合されて取り付けられる。後部基板1240は、何らかの適切な基板、例えばガラス、及び/又はシリコン(Si)のような半導体材料でよく、担体だけでなく、また、例えばトランジスタ、スイッチ、増幅器並びにトランスデューサの制御及び動作のための所望の電子部品のような能動及び/又は受動素子を含んでもよい。   FIG. 12 illustrates another embodiment of a flexible array 1200 of two or more ultrasonic transducers 1210, 1220, where each transducer is, for example, an ultrasonic transducer described in connection with FIG. 8A. The same as 800. As shown in FIG. 12, the rear substrate 1240 of each ultrasonic transducer 1210, 1220 is attached, for example, bonded to a flexible foil or polymer layer 1250. The back substrate 1240 may be any suitable substrate, for example a semiconductor material such as glass and / or silicon (Si), and not only the carrier, but also for the control and operation of eg transistors, switches, amplifiers and transducers. It may include active and / or passive elements such as desired electronic components.

2つのトランスデューサ1210、1220の後部基板1240が互いに直接接続されていないことに留意すべきである。むしろ、後部基板1240は、可撓性のポリマ層1250により接続され、よって、トランスデューサアレイ1200に柔軟性を供給し、所望の形状へ作られることになる。   It should be noted that the rear substrates 1240 of the two transducers 1210, 1220 are not directly connected to each other. Rather, the back substrate 1240 is connected by a flexible polymer layer 1250, thus providing flexibility to the transducer array 1200 and being made to the desired shape.

図8Aに示されるトランスデューサ800のような非可撓性のアレイ用に構成されるトランスデューサと比較して、トランスデューサ1210、1220が、より薄い後部基板1240を持つことに留意されたい。膜1230、圧電層1222及び電極1242のようなトランスデューサ素子は、例えば、薄くされたSi基板である薄い後部基板1240にマウントされる。後部基板1240の低減された厚さ及びトランスデューサ1210、1220の基板1240間の分離すなわちギャップ1260は、アレイ1200の柔軟性を改善する。   Note that transducers 1210, 1220 have a thinner back substrate 1240 compared to a transducer configured for an inflexible array, such as transducer 800 shown in FIG. 8A. Transducer elements such as membrane 1230, piezoelectric layer 1222, and electrode 1242 are mounted on a thin back substrate 1240, which is a thinned Si substrate, for example. The reduced thickness of the back substrate 1240 and the separation or gap 1260 between the substrates 1240 of the transducers 1210, 1220 improves the flexibility of the array 1200.

Si基板1240において、分離されたバイア穴1270が、電源及びグランドを含むさまざまな素子とトランスデューサ1210、1220との相互接続のために形成される。受動及び能動素子、回路等のような必要なさまざまな素子は、後部基板1240内で、又は可撓性のフォイル1250内若しくは上で処理でき、信号及びグランド接続のため複数のレベルの相互接続を有する。可撓性のデバイスを実現するために、さまざまなトランスデューサ1210、1220間の膜1230が分離される。可撓性の超音波トランスデューサの代わりに、又はそれに加えて、可撓性の焦電薄膜センサが形成されてもよい。上記の種々異なる技術すべてが可撓性の超音波トランスデューサ及び焦電センサのアレイの組合せを実現するために用いられてもよいことに留意されたい。   In the Si substrate 1240, isolated via holes 1270 are formed for the interconnection of the transducers 1210, 1220 with various elements including power and ground. Various required elements such as passive and active elements, circuits, etc. can be processed in the back substrate 1240 or in or on the flexible foil 1250 to allow multiple levels of interconnection for signal and ground connections. Have. To achieve a flexible device, the membrane 1230 between the various transducers 1210, 1220 is separated. Instead of or in addition to a flexible ultrasonic transducer, a flexible pyroelectric thin film sensor may be formed. It should be noted that all the different techniques described above may be used to realize a combination of flexible ultrasonic transducer and pyroelectric sensor array.

図12も、図8Aに関連して説明されたような支持マウント822、824を示し、ここで、支持マウント822、824は圧電性の領域622の上に形成され、図6に関連して示されて説明される2つの金属層630、635と同様だけでなく、例えば図8Aに関連して説明されるものと同様に2つの金属層870、860を含む。もちろん、例えば、図6に関連して示され説明される追加の金属層650のような他の金属層も、支持マウント822、824に含まれてもよい。   FIG. 12 also shows support mounts 822, 824 as described in connection with FIG. 8A, where support mounts 822, 824 are formed over piezoelectric region 622 and are shown in connection with FIG. In addition to the two metal layers 630, 635 described and described, it includes two metal layers 870, 860, for example similar to those described in connection with FIG. 8A. Of course, other metal layers may also be included in the support mounts 822, 824, such as, for example, an additional metal layer 650 shown and described in connection with FIG.

図12に示される膜1230が、図8Aに関連して示され説明されるように、前部又は下部の基板(図6の点線615により示されるように、後で取り除かれる)の上に形成されるシリコン窒化物層847、及びシリコン窒化物層847の上に形成されるシリコン酸化物層850、又はシリコン窒化物層及びシリコン酸化物層の組合せのようなさまざまな層を含んでもよいことに留意されたい。もちろん、酸化物、窒化物、酸化物のスタック又は酸化物及び窒化物のスタックを有する膜層の他の組合せが使用されてもよい。   A film 1230 shown in FIG. 12 is formed on the front or bottom substrate (which is later removed as shown by dotted line 615 in FIG. 6), as shown and described in connection with FIG. 8A. Various layers such as a silicon nitride layer 847 to be formed, and a silicon oxide layer 850 formed over the silicon nitride layer 847, or a combination of silicon nitride and silicon oxide layers may be included. Please keep in mind. Of course, other combinations of membrane layers having oxides, nitrides, oxide stacks or oxide and nitride stacks may be used.

上記可撓性のトランスデューサの他の実施例では、例えば50μmの薄いSi基板である非常に薄い後部基板1240に誘電層及び相互接続がマウントされてもよい。この非常に薄い基板1240は、可撓性の基板として作用するので、追加の可撓性の層1250が必要とされない。   In other embodiments of the flexible transducer, the dielectric layers and interconnects may be mounted on a very thin back substrate 1240, for example a 50 μm thin Si substrate. This very thin substrate 1240 acts as a flexible substrate so that no additional flexible layer 1250 is required.

他の実施例は、少なくとも一つの薄膜焦電センサ及び/又は赤外線(IR)を検出するための焦電センサのアレイを伴った、少なくとも一つの圧電薄膜超音波トランスデューサ及び/又は圧電トランスデューサのアレイの組合せを含み、これは動き検出及び/又は存在検出のためのようなさまざまなアプリケーションを持つ。超音波及び焦電トランスデューサ両方は、同様のプロセスを用いて薄膜として形成され、同時に、又は並行して一緒に形成されてもよい。圧電材料が、超音波及びIR信号の生成/伝送及び受信/検出のために用いられる。もちろん、また、異なる圧電及び焦電材料が適用されてもよい。以下の図は、複合の薄膜超音波及び焦電検出器の異なる例示的な実施例を示す。   Another embodiment provides for an array of at least one piezoelectric thin film ultrasonic transducer and / or piezoelectric transducer with at least one thin film pyroelectric sensor and / or an array of pyroelectric sensors for detecting infrared (IR). Includes combinations, which have various applications such as for motion detection and / or presence detection. Both ultrasonic and pyroelectric transducers are formed as thin films using a similar process and may be formed together at the same time or in parallel. Piezoelectric materials are used for the generation / transmission and reception / detection of ultrasound and IR signals. Of course, different piezoelectric and pyroelectric materials may also be applied. The following figures show different exemplary embodiments of composite thin film ultrasound and pyroelectric detectors.

図13Aは、超音波トランスデューサ1310及び焦電トランスデューサ1320の組合せを含むアレイ1300を示す。もちろん、アレイに配列される代わりに、複合の超音波及び焦電トランスデューサは、スタンドアローン検出器でもよいし、又は何れかの所望の構成において他の検出器と使用されてもよい。単一の素子として、又は素子のアレイとして、超音波及び/又は焦電トランスデューサは、例えばシリコン窒化物、シリコン酸化物又はシリコン窒化物及び酸化物の組合せである膜1330の上部で処理される。図13Aは、図8A及び図12に関連して説明もされているように、シリコン窒化物層847の上に形成されるシリコン酸化物層850を示す。もちろん、この実施例及び他の実施例において、Siのような他の膜材料又はSi及びシリコン酸化物(例えば、SiO2)の膜スタックの組合せが用いられてもよい。シリコン酸化窒化物層の効果は、低い比熱及び低い熱伝導率であり、このことは焦電デバイスの熱時定数を増大させ、このとき、温度増大デルタTはその背景値にまで緩和する。   FIG. 13A shows an array 1300 that includes a combination of ultrasonic transducers 1310 and pyroelectric transducers 1320. Of course, instead of being arranged in an array, the composite ultrasound and pyroelectric transducers may be stand alone detectors or used with other detectors in any desired configuration. As a single element or as an array of elements, ultrasonic and / or pyroelectric transducers are processed on top of a film 1330, for example silicon nitride, silicon oxide or a combination of silicon nitride and oxide. FIG. 13A shows a silicon oxide layer 850 formed over the silicon nitride layer 847 as also described in connection with FIGS. 8A and 12. Of course, in this and other embodiments, other film materials such as Si or combinations of film stacks of Si and silicon oxide (eg, SiO 2) may be used. The effect of the silicon oxynitride layer is low specific heat and low thermal conductivity, which increases the thermal time constant of the pyroelectric device, where the temperature increase delta T relaxes to its background value.

焦電検出器1320の隣の薄膜超音波トランスデューサ1310との統合は、異なるバージョンにおいても行われる。例えば、後部基板1340は、図13Aに示されるようにトランスデューサの一部にマウントされるだけでもよい。一体型の超音波トランスデューサ1310及び焦電検出器1320を有する大きな膜を機械的に安定させる目的を持つ代替技術において、マウントされた後部基板1340は、図13Bに示されるように焦電検出器1320もカバーし、ここで、一体型の超音波トランスデューサ1310及び焦電検出器1320両方は後部基板1340でカバーされる。代わりに、又は、加えて、一体型の超音波トランスデューサ1310及び焦電検出器1320の大きな膜を安定させるために、膜1330(例えば、シリコン窒化物膜)の下のSi基板210'は、図13Cに示されるように超音波トランスデューサ1310と焦電検出器1320との間の領域に部分的に残ったままでもよい。もちろん、所望の数の超音波トランスデューサ1310及び焦電検出器1320が一緒に集積されてもよく、ここで、図13A―13Cは、参照符号A及びBとして示される2つの焦電検出器1320の次に2つの超音波トランスデューサ1310を示す。   Integration with the thin film ultrasonic transducer 1310 next to the pyroelectric detector 1320 is also done in different versions. For example, the back substrate 1340 may only be mounted on a portion of the transducer as shown in FIG. 13A. In an alternative technique with the purpose of mechanically stabilizing a large membrane with an integrated ultrasonic transducer 1310 and pyroelectric detector 1320, the mounted back substrate 1340 may have a pyroelectric detector 1320 as shown in FIG. 13B. Where the integral ultrasonic transducer 1310 and pyroelectric detector 1320 are both covered by the back substrate 1340. Alternatively or additionally, to stabilize the large film of the integrated ultrasonic transducer 1310 and pyroelectric detector 1320, the Si substrate 210 ′ under the film 1330 (eg, a silicon nitride film) is shown in FIG. It may remain partially in the area between the ultrasonic transducer 1310 and the pyroelectric detector 1320 as shown in 13C. Of course, any desired number of ultrasonic transducers 1310 and pyroelectric detectors 1320 may be integrated together, where FIGS. 13A-13C show two pyroelectric detectors 1320, shown as reference signs A and B, respectively. Next, two ultrasonic transducers 1310 are shown.

図13Aに示されるこの例において、ドープされていないか又はLa若しくはMnドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩である圧電層1322が、膜1330の上部で処理される。膜1330と圧電層1322との間に、図2Aの参照符号230及び図6の参照符号617として示される障壁層と同様に、障壁層1317が適用され、これは例えば酸化チタン又は酸化ジルコニウム(例えば、TiO又はZrO)である。 In this example shown in FIG. 13A, a piezoelectric layer 1322 that is undoped or La or Mn doped lead zirconate titanate is processed on top of film 1330. A barrier layer 1317 is applied between the film 1330 and the piezoelectric layer 1322, similar to the barrier layer shown as reference numeral 230 in FIG. 2A and reference numeral 617 in FIG. 6, for example, titanium oxide or zirconium oxide (eg, TiO 2 or ZrO 2 ).

この圧電層1322は、また、超音波トランスデューサ1310の次に形成されて処理される焦電検出器1320の焦電センサ材料として役立つ。自由な膜1330上の他の素子(例えば、他のトランスデューサ)から分離される焦電検出器1320を持つ効果は、素子が熱的に隔離されることである。熱的に隔離された焦電検出器1320を持つことは、基板を通じた熱伝導のための温度減少を防止する。圧電性又は焦電性層1322は、1―6μmの典型的な厚さを持つ。圧電性/焦電性層1322は、超音波及び焦電デバイス又は素子1310、1320の間だけでなく、アレイ1300の超音波トランスデューサ素子1310の間のクロストークを防止するようにパターニングされる。   This piezoelectric layer 1322 also serves as a pyroelectric sensor material for the pyroelectric detector 1320 that is formed and processed next to the ultrasonic transducer 1310. The effect of having a pyroelectric detector 1320 that is isolated from other elements (eg, other transducers) on the free membrane 1330 is that the elements are thermally isolated. Having a thermally isolated pyroelectric detector 1320 prevents a decrease in temperature due to heat conduction through the substrate. Piezoelectric or pyroelectric layer 1322 has a typical thickness of 1-6 μm. Piezoelectric / pyroelectric layer 1322 is patterned to prevent crosstalk between ultrasound transducer elements 1310 of array 1300 as well as between ultrasound and pyroelectric devices or elements 1310, 1320.

ほぼ50ナノメートルの厚さを持つチタン(Ti)及びほぼ1μmの金(Au)である一番上の電極1342が、(図12の電極1242及び/又は図8Aに示されるインターデジタル電極840、845と同様に)付与される。しかしながら、IR放射線の最適吸収を供給するニッケル/クロミウム(Ni/Cr)電極のような他の物質も、電極として用いられてもよい。電極1342は、超音波トランスデューサ1310用の電極、更には焦電検出器デバイス1320用の電極を作るためにパターニングされる。あるいは、超音波トランスデューサ1310用の電極は基板ダイの超音波結合のための最適電極を持つためにTi/Auから作られ、IRセンサ1320用の電極はNi/Crから形成されてもよい。このNi/Crは、超音波トランスデューサのより厚めの金属のための付着層として使われる同一の層でもよい。   The top electrode 1342, which is titanium (Ti) and approximately 1 μm gold (Au) with a thickness of approximately 50 nanometers (the electrode 1242 in FIG. 12 and / or the interdigital electrode 840 shown in FIG. 8A, (Similar to 845). However, other materials such as nickel / chromium (Ni / Cr) electrodes that provide optimal absorption of IR radiation may also be used as electrodes. Electrode 1342 is patterned to create an electrode for ultrasonic transducer 1310 as well as an electrode for pyroelectric detector device 1320. Alternatively, the electrode for the ultrasonic transducer 1310 may be made of Ti / Au to have an optimal electrode for ultrasonic bonding of the substrate die, and the electrode for the IR sensor 1320 may be formed of Ni / Cr. This Ni / Cr may be the same layer that is used as the adhesion layer for the thicker metal of the ultrasonic transducer.

各焦電素子1320は、図13Aの参照符号1342として示される図2Bのような嵌合した一番上の電極を持つ。最も高い感度のため、これらは、2つのセンサを形成する。一方のセンサは赤外線により例えば、レンズを介して照射されるが、第2のセンサは照射されない。差動信号は赤外線の何らかの変化を示す一方で、周囲温度の遅い変化が相殺される。SN比を含む、信号を最適化するための最適な光学システムとして、フレネルレンズのような光学システムが含まれてもよい。焦電又は圧電材料1322は、例えば180°Cのような高い温度でDC(直流)電界を付与することにより分極される。この1つの焦電素子1320にフォーカスすると、IR放射のため1つの焦電素子1320の温度の増大が、動き検出のために使われる。焦電素子1320の温度の変化は、焦電素子1320の分極の変化となり、よって、表面の電荷の開放ともなる。これらの電荷は、動き(すなわち、温度の変化)を示す前置増幅器により読み出される電圧を引き起こす。   Each pyroelectric element 1320 has a top electrode fitted as shown in FIG. 2B shown as reference numeral 1342 in FIG. 13A. For the highest sensitivity, these form two sensors. One sensor is irradiated with infrared rays, for example, through a lens, but the second sensor is not irradiated. While the differential signal shows some change in infrared, the slow change in ambient temperature is canceled out. An optical system such as a Fresnel lens may be included as the optimal optical system for optimizing the signal including the signal-to-noise ratio. The pyroelectric or piezoelectric material 1322 is polarized by applying a DC (direct current) electric field at a high temperature, such as 180 ° C. When focusing on this one pyroelectric element 1320, the increase in temperature of one pyroelectric element 1320 is used for motion detection due to IR radiation. The change in temperature of the pyroelectric element 1320 becomes a change in the polarization of the pyroelectric element 1320, and thus also releases the surface charge. These charges cause a voltage that is read by the preamplifier that exhibits motion (ie, a change in temperature).

良く知られているように、レンズ1380は、IR放射線1385を受けるために、焦電素子1320の膜1330の前に供給される。レンズ1380は、熱伝導を低減するために膜1330から隔離され、所望の方向からIR放射線1385を受けるために指向的に構成される。超音波トランスデューサ1310により伝送され、又は受信される超音波は、図13Aで矢印1387として示される。   As is well known, a lens 1380 is provided in front of the film 1330 of the pyroelectric element 1320 to receive IR radiation 1385. Lens 1380 is isolated from membrane 1330 to reduce thermal conduction and is configured to receive IR radiation 1385 from a desired direction. The ultrasonic waves transmitted or received by the ultrasonic transducer 1310 are shown as arrows 1387 in FIG. 13A.

所望の動作のために、異なるデザインが可能である。一つのバージョンにおいて、2つの焦電素子は、直列に設計されて、逆向きの極性を持つ。斯様な二重素子レイアウトは、同時に両方の素子を加熱して、背景温度の変化を補償するために用いられる。図13B、13Cに示される二重素子デザインの他に、4つの素子のような、又はそれ以上の素子のような所望の数の焦電素子を用いた他のデザインが使われてもよい。   Different designs are possible for the desired operation. In one version, the two pyroelectric elements are designed in series and have opposite polarities. Such a dual element layout is used to heat both elements simultaneously to compensate for changes in background temperature. In addition to the dual element design shown in FIGS. 13B and 13C, other designs with a desired number of pyroelectric elements such as four elements or more may be used.

他のデバイス、回路及び電子部品が、基板1340に一体化されて供給されてもよい。FET(電界効果型トランジスタ)1390でもよい増幅器のような電子部品が、ボード1395に別々にマウントされ、超音波トランスデューサ及び焦電センサを有するデバイスにワイヤ結合されてもよい。1つの例が、図13Aに示される。また、システムの他のスタックが形成されてもよい。例えば、別の実施例が図13Bに示され、ここで、基板1340は、超音波トランスデューサ/アレイ上にマウントされ、更に延在して、焦電センサ/アレイを保護するために用いられる。もちろん、他の所望のスタックが形成されてもよい。図13Cにおいて、他の実施例は、膜の下で、前部基板210'が、圧電超音波トランスデューサ又はトランスデューサアレイと、焦電センサ又はセンサアレイとの間に支持210''を形成するように、除去される。   Other devices, circuits, and electronic components may be supplied integrated with the substrate 1340. An electronic component such as an amplifier, which may be a FET (Field Effect Transistor) 1390, may be separately mounted on the board 1395 and wire bonded to a device having an ultrasonic transducer and pyroelectric sensor. One example is shown in FIG. 13A. Also other stacks of the system may be formed. For example, another example is shown in FIG. 13B, where the substrate 1340 is mounted on an ultrasonic transducer / array and further extends to be used to protect the pyroelectric sensor / array. Of course, other desired stacks may be formed. In FIG. 13C, another embodiment is that under the membrane, the front substrate 210 ′ forms a support 210 ″ between the piezoelectric ultrasonic transducer or transducer array and the pyroelectric sensor or sensor array. Removed.

したがって、検出器のアレイは、超音波検出器のみ、IR検出器のみ、又は所望の数の検出器若しくは検出器の組合せを使用する超音波及びIR検出器の組合せを含んでもよく、ここで、所望の数の赤外線素子が、超音波及び赤外線の伝送、検出、イメージングのために使われる結合されたアレイを形成するため超音波素子の次に形成される。斯様な複合の超音波及びIRトランスデューサは薄膜処理により形成され、ここで電極は、例えば図2A〜8Dに関連したように以前説明されたのと同様に、圧電材料の同じ側又は両側にある。   Thus, an array of detectors may include a combination of ultrasound and IR detectors using an ultrasonic detector only, an IR detector only, or a desired number of detectors or combinations of detectors, where A desired number of infrared elements are formed next to the ultrasonic elements to form a combined array used for ultrasonic and infrared transmission, detection, and imaging. Such composite ultrasonic and IR transducers are formed by thin film processing, where the electrodes are on the same side or both sides of the piezoelectric material, as previously described, eg, as described in connection with FIGS. .

図14Aに示されるアレイ1400の他の実施例において、増幅器1390のような回路は、パッケージソリューションのシステムを達成するために、担体又は前部基板210'上のトランスデューサ及び焦電素子1310、1320の隣のフリップチップマウント又はワイヤボンディング1495によりマウントされる。概してSi担体であるこの担体210'は、例えば抵抗のような他の素子、機能及びデバイスも有する。担体又は前部Si基板210'が図2A、2Cに示される前部基板210と同様であることに留意されたい。このようにして、図14Aに示されるように、大幅に小型化された薄型超音波検出器アレイ及び焦電検出器アレイが達成できる。図13Bと同様に、図14Bに示されるように、後部基板1340は、延在されて焦電センサを保護するためにも用いられる。あるいは、図14Cに示されるように、デバイスを支持するために、前部基板210'は、図13Cに関連して説明されたのと同様に、圧電超音波トランスデューサと焦電センサとを隔離する支持210''を形成するようにパターニングされる。   In another embodiment of the array 1400 shown in FIG. 14A, circuitry such as an amplifier 1390 may be used to implement transducer and pyroelectric elements 1310, 1320 on a carrier or front substrate 210 ′ to achieve a packaged solution system. It is mounted by the adjacent flip chip mount or wire bonding 1495. This carrier 210 ', which is generally a Si carrier, also has other elements, functions and devices such as resistors. Note that the carrier or front Si substrate 210 'is similar to the front substrate 210 shown in FIGS. 2A and 2C. In this way, as shown in FIG. 14A, a thin ultrasonic detector array and a pyroelectric detector array that are greatly miniaturized can be achieved. Similar to FIG. 13B, as shown in FIG. 14B, the rear substrate 1340 is extended and used to protect the pyroelectric sensor. Alternatively, as shown in FIG. 14C, to support the device, the front substrate 210 ′ isolates the piezoelectric ultrasonic transducer and the pyroelectric sensor as described in connection with FIG. 13C. Patterned to form support 210 ''.

図15に示されるトランスデューサアレイ1500の他の別の実施例において、図2A、2Cに示される前部基板210と同様に、例えばFETである増幅器のような回路構成を前部Si基板210'へ統合することにより、更なる小型化さえ達成される。これは、図14Aと関連して説明されたように、スタンドアローンの、又はフリップチップマウント若しくはワイヤボンディング1495などの手段によりトランスデューサに接続されるか又はマウントされる、統合されていない増幅器を持つこととは対照的である。図2A、2Cに関連して説明されてもいるように、前部基板210、210'は、超音波トランスデューサ及び/又は焦電トランスデューサを実現するため各種層を担体上に形成しパターニングするための担体として用いられる。説明されているように、前部基板の部分が(例えば、図2A、2Cに示される開口部260を形成するために)除去され、よって、基板210、210'を残す。前部Si基板210'に一体化されるFETと電極1342との間のように、相互接続1515が必要に応じて供給される。   In another alternative embodiment of the transducer array 1500 shown in FIG. 15, similar to the front substrate 210 shown in FIGS. 2A and 2C, a circuit configuration such as an amplifier, such as an FET, is applied to the front Si substrate 210 ′. By integration, even further miniaturization is achieved. This has a non-integrated amplifier that is connected to or mounted to the transducer by means such as a stand-alone or flip chip mount or wire bond 1495, as described in connection with FIG. 14A. In contrast to As described in connection with FIGS. 2A and 2C, the front substrate 210, 210 ′ is used to form and pattern various layers on the carrier to implement an ultrasonic transducer and / or pyroelectric transducer. Used as a carrier. As described, portions of the front substrate are removed (eg, to form the opening 260 shown in FIGS. 2A, 2C), thus leaving the substrates 210, 210 ′. An interconnect 1515 is provided as needed, such as between the FET integrated with the front Si substrate 210 'and the electrode 1342.

あるいは、図13B及び14Bに関連して説明されたのと同様に、後部基板1340は、圧電トランスデューサ上の取付けの用途にだけ使われるだけでなく、図15Bに示されるように、焦電センサの上に延在されて焦電センサを保護もするためにも用いられる。更に、図15Cに示されるように、前部基板210'は、図13C及び14Cに示されるのと同様に、圧電超音波トランスデューサと焦電センサとを離隔するような態様でパターニングされる。   Alternatively, as described in connection with FIGS. 13B and 14B, the back substrate 1340 is not only used for mounting applications on piezoelectric transducers, but also as shown in FIG. It is also used to extend the top to protect the pyroelectric sensor. Further, as shown in FIG. 15C, the front substrate 210 ′ is patterned in such a manner as to separate the piezoelectric ultrasonic transducer and the pyroelectric sensor, as shown in FIGS. 13C and 14C.

圧電層の一方の側(d33モードと呼ばれる)上の電極を示すさまざまな実施形態の上記説明は、図5及び図8B―8Cに関連して示され説明されるように、電極が圧電層の対向し合う側にあるd31モードで動作する実施例に等しく適用できることが理解されるべきである。   The above description of various embodiments showing electrodes on one side of the piezoelectric layer (referred to as the d33 mode) is shown and described in connection with FIGS. 5 and 8B-8C, where the electrodes are of the piezoelectric layer. It should be understood that it is equally applicable to embodiments operating in d31 mode on opposite sides.

例えば、図16に示されるトランスデューサアレイ1600の実施例において、超音波トランスデューサ1610は、(例えば、d33モードで動作する図12―15に示される前述の実施例とは対照的に)d31モードで動作する。d31モードにおいて、圧電層を作用させる電極は、圧電フィルムの対向し合う側に設計される。この設計は、トランスデューサが低電圧で動作できるという効果を持つ。超音波トランスデューサ1610は、図2C、図5及び図8B―8Cに関連して説明されたような、前述のものと同様に形成される。   For example, in the transducer array 1600 embodiment shown in FIG. 16, the ultrasonic transducer 1610 operates in d31 mode (eg, as opposed to the previous embodiments shown in FIGS. 12-15 operating in d33 mode). To do. In the d31 mode, the electrodes that act on the piezoelectric layer are designed on opposite sides of the piezoelectric film. This design has the effect that the transducer can operate at a low voltage. The ultrasonic transducer 1610 is formed similar to that described above, as described in connection with FIGS. 2C, 5 and 8B-8C.

圧電性の領域1621の両側上に電極を持つ超音波トランスデューサ1610に加えて、図16Aに示されるアレイ1600の他の実施例においては、焦電検出器素子1620は、焦電層1622の対向し合う側に電極を持つプレート・キャパシタとしても処理される。焦電IRトランスデューサ1620は、全前部基板210'上に担持される膜1330の上に第1の又は前部電極1642を形成することにより実現される(すなわち、図2C、図5及び図8B、8Cに関連して前述したのと同様に、膜1330を露出させるため基板210'の部分を除去する前に)。次に、焦電圧電層1622が前部電極1642の上に形成され、第2の又は後部電極1644は圧電層1622の上に形成され、所望ならばパターニングされる。前部基板210'の部分は次に膜1330を露出させるためなどのために所望により除去され、膜1330の部分は前部電極1642を露出させるため所望により除去され、前部電極1642は所望によりパターニングされる。次に、レンズ1380は、レンズが熱的に隔離される前部電極1642の部分に設けられる。   In addition to the ultrasonic transducer 1610 having electrodes on both sides of the piezoelectric region 1621, in another embodiment of the array 1600 shown in FIG. 16A, the pyroelectric detector elements 1620 are opposed to the pyroelectric layer 1622. It is also treated as a plate capacitor with electrodes on the mating side. The pyroelectric IR transducer 1620 is realized by forming the first or front electrode 1642 on the film 1330 carried on the entire front substrate 210 ′ (ie, FIGS. 2C, 5 and 8B). , Before removing the portion of substrate 210 'to expose film 1330, as described above in connection with 8C). Next, a pyroelectric layer 1622 is formed on the front electrode 1642 and a second or rear electrode 1644 is formed on the piezoelectric layer 1622 and patterned if desired. The portion of front substrate 210 'is then optionally removed, such as to expose film 1330, the portion of film 1330 is optionally removed to expose front electrode 1642, and front electrode 1642 is optionally removed. Patterned. Next, the lens 1380 is provided at the portion of the front electrode 1642 where the lens is thermally isolated.

焦電/圧電性の領域及び層1621、1622は、100―300°C(例えば、180°C)のような高い温度でDC電界を付与することにより分極化される。焦電/圧電層1621、1622の分極は、層1621、1622に対して垂直である。互いに反対の分極を持つ2つ以上の焦電素子が直列に設計されてもよい。赤外線からの温度変化のため前記素子の分極の変化は、前部シリコン基板210'に集積されるか又は他の所望の電子部品及び回路とともにトランスデューサにマウント/接続されるFETである前置増幅器で読み出される。すなわち、FETを含む電子回路は、別々のプリント回路基板(PCB)に実現され、及び/又は、例えば、Si担体210'上のワイヤボンディング又はフリップ・チップ・マウンティングによりマウントされる。図16Bに示されるように、図16Aの変形例において、電極及び焦電層の下の膜は除去されなくてもよい。   The pyroelectric / piezoelectric regions and layers 1621 and 1622 are polarized by applying a DC electric field at a high temperature such as 100-300 ° C. (eg, 180 ° C.). The polarization of the pyroelectric / piezoelectric layers 1621, 1622 is perpendicular to the layers 1621, 1622. Two or more pyroelectric elements having opposite polarizations may be designed in series. Due to temperature changes from infrared, the polarization change of the device is a preamplifier which is an FET that is integrated on the front silicon substrate 210 'or mounted / connected to the transducer along with other desired electronic components and circuits. Read out. That is, the electronic circuit including the FET is implemented on a separate printed circuit board (PCB) and / or mounted, for example, by wire bonding or flip chip mounting on the Si carrier 210 '. As shown in FIG. 16B, in the variation of FIG. 16A, the electrode and the film under the pyroelectric layer may not be removed.

さまざまな図に示されるIR検出器のレンズ1380が、フレネルレンズと同様の異なる曲率及び異なる厚みのような異なる特性のセグメント、ここで、各セグメントが特定の領域又はゾーンからIR放射線を受けるように構成される当該セグメントに典型的に分割されることに留意されたい。セグメントの数及びタイプは、カバー領域に基づいて変化し、ここで概して、より広いカバー領域がより高い数のセグメントを必要とする。IR放射線に対して監視されるカバーエリアのサイズに依存して、IR検出器で使用される典型的なレンズは、7―14個のセグメントを含む。斯様なレンズは、比較的高価で、セグメントの数を増大するにつれてコストが増大する。   The IR detector lens 1380 shown in the various figures is a segment of different characteristics, such as different curvature and different thickness, similar to a Fresnel lens, where each segment receives IR radiation from a particular region or zone. Note that it is typically divided into the segments of interest. The number and type of segments varies based on the coverage area, where generally a wider coverage area requires a higher number of segments. Depending on the size of the coverage area monitored for IR radiation, a typical lens used in an IR detector contains 7-14 segments. Such lenses are relatively expensive and increase in cost as the number of segments increases.

多くのセグメントを持つ高価なレンズを持つ代わりに、薄膜センサのアレイは、低減されたセグメント又はセグメントを持たないが依然広いカバー領域を持つレンズを持って使用される。このように、薄膜トランスデューサのアレイを使用することは、レンズを設計することを容易にしてレンズの厚さを減らし、よって、コストを下げるだけでなくコンパクトなデバイスを供給する。例えば、天井アプリケーション用のIR動き/存在センサは、4つの素子又はセンサ(四分円デバイス)と、14個のセグメントを持つレンズとを持ち、14の4倍、すなわち56個の検出領域を供給する。代わりに、IR焦電センサは14個の素子又はセンサを含み、レンズは4つのセグメントだけを持つが、依然同じ数の検出区域、すなわち4の14倍、すなわち56個の検出領域を持つ。   Instead of having an expensive lens with many segments, an array of thin film sensors is used with lenses that do not have reduced segments or segments but still have a large coverage area. Thus, using an array of thin film transducers makes it easier to design the lens and reduces the thickness of the lens, thus reducing the cost as well as providing a compact device. For example, an IR motion / presence sensor for ceiling applications has four elements or sensors (quadrant device) and a lens with 14 segments, providing four times 14 or 56 detection areas. To do. Instead, the IR pyroelectric sensor includes 14 elements or sensors and the lens has only 4 segments, but still has the same number of detection areas, ie 14 times 4 or 56 detection areas.

図17A〜17Cに示される他の例において、d33又はd31モードで動作する超音波トランスデューサ1310は、専用の組成物を持つ圧電薄膜層を使用し、焦電検出器1320は、超音波トランスデューサ1310の圧電薄膜層の組成物とは異なる特別な組成物を持つ他の専用の層を使用している。図17A〜17Cに示される一体型の超音波及び焦電/赤外線(IR)デバイスのこれらの実施例において、一体型の超音波トランスデューサ1310は、Laがドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩を持つ専用の圧電組成物を持ち、一体型のIR検出器1320は、La、Mnがドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩の専用の焦電組成物を持つ。   In other examples shown in FIGS. 17A-17C, the ultrasonic transducer 1310 operating in d33 or d31 mode uses a piezoelectric thin film layer with a dedicated composition, and the pyroelectric detector 1320 is the ultrasonic transducer 1310 Other dedicated layers having a special composition different from the composition of the piezoelectric thin film layer are used. In these embodiments of the integrated ultrasonic and pyroelectric / infrared (IR) device shown in FIGS. 17A-17C, the integrated ultrasonic transducer 1310 has La doped lead zirconate titanate. The integrated IR detector 1320 has a dedicated pyroelectric composition of lead zirconate titanate doped with La and Mn.

1つの例示又は実施例が、図17Aにおいて与えられる。この実施例は、図13Aと同様の焦電センサのアレイ、超音波トランスデューサ及び焦電センサのアレイ、又は超音波トランスデューサのシステムを示す。圧電超音波トランスデューサは、この例ではd33モードで動作している。例えばシリコン窒化物及びシリコン酸化物又は何らかの他の膜スタックである膜1330の部分の上部で、圧電層1322、例えばランタン(La)がドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩層が堆積され、パターニングされるので、これは超音波トランスデューサが機能している領域にだけ位置される。焦電センサ又はセンサのアレイが位置される膜1330の他の部分に、焦電薄膜層1722は当該膜1330の上部に堆積される。焦電薄膜層は、例えば、ランタン及びマンガン(Mn)がドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩層である。   One illustration or example is given in FIG. 17A. This example shows an array of pyroelectric sensors, an array of ultrasonic transducers and pyroelectric sensors, or a system of ultrasonic transducers similar to FIG. 13A. The piezoelectric ultrasonic transducer is operating in the d33 mode in this example. A piezoelectric layer 1322, for example a lead zirconate titanate layer doped with lanthanum (La), is deposited and patterned on top of a portion of the film 1330, for example silicon nitride and silicon oxide or some other film stack. Thus, it is located only in the area where the ultrasonic transducer is functioning. On the other part of the film 1330 where the pyroelectric sensor or array of sensors is located, a pyroelectric thin film layer 1722 is deposited on top of the film 1330. The pyroelectric thin film layer is, for example, a lead zirconate titanate layer doped with lanthanum and manganese (Mn).

図17B及び図17Cは、図13A〜13Cと同様に、マウントされた後部基板1340が図17Bに示されるように超音波トランスデューサ及び焦電センサをカバーするために延在している図17Aの変更実施態様を示す。図17Cにおいて、専用の圧電薄膜物質を持つ超音波トランスデューサ領域は、図13C、14C及び15Cに関連して説明されたのと同様に、前部基板210'をパターニングすることにより、焦電センサ領域から離隔される。   FIGS. 17B and 17C are similar to FIGS. 13A-13C with the modification of FIG. 17A where the mounted back substrate 1340 extends to cover the ultrasonic transducer and pyroelectric sensor as shown in FIG. 17B. An embodiment is shown. In FIG. 17C, an ultrasonic transducer region with a dedicated piezoelectric thin film material can be obtained by patterning the front substrate 210 ′, similar to that described in connection with FIGS. 13C, 14C, and 15C. Separated from.

最後に、上述の説明は、本システムの単なる例示を意図するものであり、何れの特定の実施例の又は実施例のグループに請求の範囲を制限するものと解釈されてはならない。したがって、本システムがその特定の例示的実施形態に関して特に詳細に説明されたが、多数の変更実施態様及び別の実施例が、以下の請求項にて述べられたような本システムの広く意図された趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者により考案されることも理解されるべきである。従って、明細書及び図面は、例示的態様とみなされ、添付の請求の範囲を制限することを意図していない。   Finally, the above description is intended to be merely illustrative of the present system and should not be construed to limit the claims to any particular embodiment or group of embodiments. Thus, although the system has been described in particular detail with respect to that particular exemplary embodiment, numerous modifications and alternative embodiments are widely contemplated for the system as set forth in the following claims. It should also be understood that those skilled in the art can devise without departing from the spirit and scope. The specification and drawings are accordingly to be regarded in an illustrative manner and are not intended to limit the scope of the appended claims.

添付の請求の範囲を解釈する際、
a)「有する」という語は、所与の請求項にリストされるもの以外の他の素子又はステップの存在を除外しない、
b)素子の前の「a」又は、「an」は、斯様な素子の複数の存在を除外しない、
c)請求項内の参照符号は、請求項の範囲を制限しない、
d)いくつかの「手段」は、同じ若しくは異なる品目又はハードウェア若しくはソフトウェアで実行される構造体又は機能により表わされてもよい、
e)開示された素子は、ハードウェア部分(例えば、ディスクリート及び集積化された電子部品回路を含む)、ソフトウェア部分(例えば、コンピュータ・プログラミング)及びこれらの何れの組み合わせを有してもよい、
f)ハードウェア部分は、アナログ及びデジタル部分の一方又は両方を有してもよい、
g)他に特に述べられない限り、開示されたデバイス又はその一部分が結合され又は他の部分に分離されてもよい、
h)特に示されない限り、行為又はステップの特定のシーケンスが必要とされるという意図はない、
i)用語「複数の」素子は2つ以上の請求項の素子を含み、素子の数の何れかの特定の範囲を意味しない、すなわち、複数の素子は、わずか2つの素子でもよく、限りない数の素子を含んでもよい、ということは理解されるべきである。
以下に本願の更なる特徴を列挙する。
特徴1
力に応じて形状を変えるように構成される膜と、前記膜の上に形成される圧電層及び前記圧電層の能動部分の上に少なくとも2つの電極を持つ少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子と、可撓性フォイルとを有し、前記少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子が、前記圧電層の周囲の側で前記能動部分の隣接する側に位置される第1及び第2の支持部により、トランスデューサアレイの第1の側で前記可撓性フォイルに取り付けられる、トランスデューサアレイ。
特徴2
前記トランスデューサ素子の第2の側に他の可撓性フォイルを更に有し、前記可撓性フォイル及び前記他の可撓性フォイルが前記トランスデューサアレイの第1の側及び第2の側を実質的にカバーする、特徴1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴3
前記可撓性フォイルが前記トランスデューサ素子の半導体基板に取り付けられ、前記半導体基板が低減された厚さを持って、前記半導体基板が前記トランスデューサ素子と他の素子との接続のための少なくとも一つの分離したバイア穴を含む、特徴1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴4
前記少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子が薄膜超音波トランスデューサ素子及び薄膜焦電トランスデューサ素子を含む、請求項1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴5
第1の支持部と第2の支持部との間に位置される基板を更に有する、特徴1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴6
前記圧電層とは反対側の前記膜の側に、前記少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子の間に位置される支持部を更に有する、特徴1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴7
前記少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子が薄膜超音波トランスデューサ素子及び薄膜焦電トランスデューサ素子を含み、前記トランスデューサアレイが、前記圧電層とは反対側の前記膜の側に、少なくとも前記薄膜トランスデューサ素子と前記薄膜焦電素子との間に位置される支持部を更に有する、特徴1に記載のトランスデューサアレイ。
特徴8
少なくとも2つの電極に挟まれた圧電層を持つ少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子と、可撓性フォイルとを有し、前記少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子は、トランスデューサアレイの第1の側に前記可撓性フォイルが取り付けられ、前記可撓性フォイルの動きを強化し、前記トランスデューサアレイの形状作りを可能にするためにギャップにより分離されている、トランスデューサアレイ。
特徴9
圧電層を備える少なくとも2つの薄膜トランスデューサ素子を持つトランスデューサアレイと、焦電層を備える少なくとも2つの薄膜焦電検出器を持つ焦電アレイと、少なくとも2つの電極とを有し、前記圧電層及び前記焦電層が前記少なくとも2つの電極の間に挟まれている、デバイス。
特徴10
可撓性フォイルを更に有し、前記トランスデューサアレイ及び前記焦電アレイに、前記可撓性フォイルが取り付けられる、特徴9に記載のデバイス。
特徴11
前記トランスデューサアレイ及び前記焦電アレイが前記可撓性フォイルの一部をさらして離隔され、可撓性が増大されている、特徴10に記載のデバイス。
When interpreting the appended claims,
a) the word “comprising” does not exclude the presence of other elements or steps than those listed in a given claim;
b) “a” or “an” in front of an element does not exclude the presence of a plurality of such elements;
c) any reference signs in the claims do not limit the scope of the claims;
d) several “means” may be represented by structures or functions performed on the same or different items or hardware or software;
e) The disclosed elements may have hardware parts (eg, including discrete and integrated electronic component circuits), software parts (eg, computer programming), and any combination thereof.
f) The hardware part may have one or both of analog and digital parts,
g) unless otherwise stated, the disclosed device or part thereof may be combined or separated into other parts;
h) unless otherwise indicated, there is no intention that a specific sequence of actions or steps is required,
i) The term “a plurality” of elements includes two or more claimed elements and does not imply any particular range of the number of elements, ie, a plurality of elements may be as few as two elements, without limitation It should be understood that a number of elements may be included.
Further features of the present application are listed below.
Feature 1
A membrane configured to change shape in response to a force, a piezoelectric layer formed on the membrane, and at least two thin film transducer elements having at least two electrodes on an active portion of the piezoelectric layer; A flexible foil, wherein the at least two thin film transducer elements are first and second supports located on the peripheral side of the piezoelectric layer and on adjacent sides of the active portion, so that the first of the transducer array. A transducer array attached to the flexible foil on one side.
Feature 2
Further comprising another flexible foil on the second side of the transducer element, wherein the flexible foil and the other flexible foil substantially define the first side and the second side of the transducer array. The transducer array according to feature 1, wherein
Feature 3
The flexible foil is attached to a semiconductor substrate of the transducer element, the semiconductor substrate having a reduced thickness, and the semiconductor substrate is at least one isolation for connecting the transducer element to another element The transducer array of feature 1, comprising a via hole formed.
Feature 4
The transducer array of claim 1, wherein the at least two thin film transducer elements include a thin film ultrasonic transducer element and a thin film pyroelectric transducer element.
Feature 5
The transducer array according to Feature 1, further comprising a substrate positioned between the first support and the second support.
Feature 6
The transducer array according to claim 1, further comprising a support portion positioned between the at least two thin film transducer elements on the side of the film opposite to the piezoelectric layer.
Feature 7
The at least two thin film transducer elements include a thin film ultrasonic transducer element and a thin film pyroelectric transducer element, and the transducer array is disposed on the side of the film opposite to the piezoelectric layer, at least the thin film transducer element and the thin film pyroelectric element. The transducer array according to Feature 1, further comprising a support portion positioned between the electrical elements.
Feature 8
At least two thin film transducer elements having a piezoelectric layer sandwiched between at least two electrodes, and a flexible foil, the at least two thin film transducer elements on the first side of the transducer array A transducer array to which foils are attached and separated by gaps to enhance movement of the flexible foil and allow shaping of the transducer array.
Feature 9
A transducer array having at least two thin film transducer elements comprising a piezoelectric layer, a pyroelectric array having at least two thin film pyroelectric detectors comprising a pyroelectric layer, and at least two electrodes, the piezoelectric layer and the A device, wherein a pyroelectric layer is sandwiched between the at least two electrodes.
Feature 10
The device of claim 9, further comprising a flexible foil, wherein the flexible foil is attached to the transducer array and the pyroelectric array.
Feature 11
The device of claim 10, wherein the transducer array and the pyroelectric array are spaced apart by exposing a portion of the flexible foil to increase flexibility.

Claims (18)

前部基板の上に膜を形成するステップと、前記膜の上に圧電層を形成するステップと、前記圧電層の能動部分の上に第1及び第2の電極を含むパターンニングされた導電層を形成するステップと、前記能動部分の隣接する側に位置される第1及び第2の支持部を持つ後部基板構造を形成するステップとを有し、第1及び第2の支持部は、前記圧電層の圧電材料と、第1及び第2の電極の導電材料とを含む、トランスデューサを形成する方法。   Forming a film on a front substrate; forming a piezoelectric layer on the film; and a patterned conductive layer including first and second electrodes on an active portion of the piezoelectric layer Forming a rear substrate structure having first and second supports located on adjacent sides of the active portion, wherein the first and second supports include the steps of: A method of forming a transducer comprising a piezoelectric material of a piezoelectric layer and a conductive material of first and second electrodes. 前記支持部の支持高さが前記圧電層及び前記パターニングされた導電層を組み合わせた高さより大きい、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein a supporting height of the supporting portion is larger than a combined height of the piezoelectric layer and the patterned conductive layer. 前記後部基板構造を形成するステップが、後部基板に前記支持部を形成するステップと、前記能動部分の隣の位置に前記支持部を取り付けるステップとを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the back substrate structure includes forming the support on a back substrate and attaching the support to a location adjacent to the active portion. 前記支持部を形成するステップが、前記支持部を形成するために前記後部基板に少なくとも一つの導電層を形成するステップ、及び前記支持部の間の前記後部基板を局所的にエッチングするステップの少なくとも一つのステップを含む、請求項3に記載の方法。   Forming the support includes forming at least one conductive layer on the rear substrate to form the support, and at least locally etching the rear substrate between the supports. 4. The method of claim 3, comprising a step. 前記後部基板構造を形成するステップが、前記圧電層及び前記パターニングされた導電層の全体の厚さを超えて、前記圧電層及び前記パターニングされた導電層の一部を含む前記支持部の厚さを増大させるために前記支持部に追加の層を形成するステップと、前記支持部の前記追加の層に後部基板をマウントするステップとを含む、請求項1に記載の方法。   The thickness of the support portion wherein forming the back substrate structure includes a portion of the piezoelectric layer and the patterned conductive layer beyond a total thickness of the piezoelectric layer and the patterned conductive layer. The method of claim 1, comprising: forming an additional layer on the support to increase the thickness; and mounting a rear substrate on the additional layer of the support. 前記前部基板を完全に又は部分的に除去するステップを更に有する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the step of completely or partially removing the front substrate. 前記膜を形成するステップが、前記前部基板の上にシリコン窒化層を形成するステップと、前記シリコン窒化層の上にシリコン酸化物層を形成するステップとを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the film comprises forming a silicon nitride layer on the front substrate and forming a silicon oxide layer on the silicon nitride layer. . 重なっている底部電極と上部電極との間の容量性結合により、直列に接続されるセグメントに前記能動部分を分割するステップを更に有する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising dividing the active portion into segments connected in series by capacitive coupling between overlapping bottom and top electrodes. バイアス電圧を供給するため抵抗を前記重なっている底部電極と上部電極とに接続するステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising connecting a resistor to the overlapping bottom and top electrodes to provide a bias voltage. 他のパターニングされた導電層を形成するステップを更に有し、前記圧電層が前記パターニングされた導電層と前記他のパターニングされた導電層との間に挟まれる、請求項1乃至9の何れか一項に記載の方法。   10. The method of claim 1, further comprising the step of forming another patterned conductive layer, wherein the piezoelectric layer is sandwiched between the patterned conductive layer and the other patterned conductive layer. The method according to one item. 力に応じて形状を変えるように構成される膜と、前記膜の上に形成される圧電層と、前記圧電層の能動部分の上にあって、前記圧電層に接触する第1及び第2の電極を含むパターニングされた導電層と、前記圧電層の周囲の側で前記能動部分の隣接する側に位置される第1及び第2の支持部により支持される後部基板構造とを有し、前記圧電層は、前記第1及び第2の電極の間の電界に従って長手方向に振動し、第1及び第2の支持部は、前記圧電層の圧電材料と、第1及び第2の電極の導電材料とを含む、トランスデューサ。 A film configured to change shape in response to a force; a piezoelectric layer formed on the film; and first and second layers on the active portion of the piezoelectric layer and in contact with the piezoelectric layer A patterned conductive layer including a plurality of electrodes, and a back substrate structure supported by first and second supports located on the peripheral side of the piezoelectric layer and adjacent to the active portion; The piezoelectric layer vibrates in a longitudinal direction according to an electric field between the first and second electrodes, and the first and second support portions are formed of the piezoelectric material of the piezoelectric layer and the first and second electrodes. A transducer comprising a conductive material. 第1及び第2の支持部の支持高さは、第1及び第2の電極が前記圧電層の一方の側に形成されるときは前記圧電層及び第1の電極の第1の結合された高さより大きく、前記支持高さは、第1及び第2の電極が前記圧電層の両側に形成されるときは前記圧電層並びに第1及び第2の電極の第2の結合された高さより大きい、請求項11に記載のトランスデューサ。   The support height of the first and second support portions is the first combined of the piezoelectric layer and the first electrode when the first and second electrodes are formed on one side of the piezoelectric layer. Greater than the height, and the support height is greater than the second combined height of the piezoelectric layer and the first and second electrodes when the first and second electrodes are formed on both sides of the piezoelectric layer. The transducer according to claim 11. 前記膜がシリコン窒化層の上に位置されるシリコン酸化物層を有し、前記圧電層が前記シリコン酸化物層の上に位置される、請求項11に記載のトランスデューサ。   The transducer of claim 11, wherein the film has a silicon oxide layer positioned on a silicon nitride layer, and the piezoelectric layer is positioned on the silicon oxide layer. 障壁層を更に有し、前記膜はシリコン窒化層の上に形成されるシリコン酸化物層を有し、前記障壁層が前記シリコン酸化物層の上に位置され、前記圧電層が前記障壁層の上に位置される、請求項11に記載のトランスデューサ。   A barrier layer, wherein the film has a silicon oxide layer formed on the silicon nitride layer, the barrier layer is located on the silicon oxide layer, and the piezoelectric layer is formed on the barrier layer. 12. A transducer as claimed in claim 11 positioned above. 請求項11に記載のトランスデューサを有するアレイ。   An array comprising the transducer of claim 11. 請求項11に記載のトランスデューサを有する存在検出のためのセンサ。   A sensor for presence detection comprising the transducer according to claim 11. 請求項11に記載のトランスデューサを有する存在検出のための動きセンサ。   A motion sensor for presence detection comprising the transducer according to claim 11. 請求項11に記載のトランスデューサを有する実時間イメージングのための画像センサ。   An image sensor for real-time imaging comprising the transducer according to claim 11.
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